MODULERENDE VENTILATION - LOW COST VAV TIL KONTORBYGNINGER

Transkript

1 MODULERENDE VENTILATION - LOW COST VAV TIL KONTORBYGNINGER V G V + FEBRUAR 2012

2 MODULERENDE VENTILATION LOW COST VAV TIL KONTOR- BYGNINGER Februar 2012 Energi og Klima Energieffektivisering og Ventilation Anders Høj Christensen Hans Olsen Christian Drivsholm (projektleder) ELFOR D:\ _Slutrapport_Modulerende ventilation.docx 2

3 Forord Rapporten er udarbejdet for PSO midler under Dansk Energi. Projektet har fået tildelt følgende arbejdskode: Elfor : Modulerende ventilation low cost VAV til kontorbygninger under programområde 2b Komfort ventilation. Følgende firmaer har stillet kontorbygninger og CAV ventilationsanlæg til rådighed: Velux A/S, Ådalsvej 99, 2970 Hørsholm Dansk Metal, Nyropsgade 38, 1780 København V Projektets sammensætning var følgende: Trend Control Systems, Østergade 23 3 TV, 8000 Aarhus C Intelligent Bygnings Automatik, Magnoliavej 12B ST TH, 5250 Odense SV JS Ventilation A/S, Malervangen 9, 2600 Glostrup Halton A/S, Nydamsvej 41, 8362 Hørning Aalborg Universitet, Institut for Elektroniske Systemer, Automation & Control, Fredrik Bajers Vej 7C, 9220 Aalborg Ø Teknologisk Institut, Energieffektivisering og Ventilation, Gregersensvej 2, 2630 Taastrup og Kongsvang Allé 29, 8000 Aarhus C Christian Drivsholm, Projektleder December 2011 D:\ _Slutrapport_Modulerende ventilation.docx 3

4 INDHOLDSFORTEGNELSE 1 INDLEDNING KONKLUSION KORTLÆGNING AF EKSISTERENDE KONTORBYGNINGER Indeklimakrav i kontorbygning Termisk indeklima Toleranceoverskridelse Spørgeskemaundersøgelse Velux generelt Effektvariation Resultat af målingerne Dansk Metal generelt Velux konklusion af spørgeskemaundersøgelse om indeklimaforholdene Dansk Metal konklusion af spørgeskemaundersøgelse om indeklimaforholdene Funktionsgennemgang af ventilationsforholdene i en kontorbygning Ventilationssystemer Valg af ventilationssystem Skitseforklaring Hvad er modulerende ventilation FORSØGSBESKRIVELSE Resume af forsøg Modulerende armatur Fælles forsøgsbeskrivelse Beskrivelse af forsøgslaboratorium Numeriske beregninger Optimering af eksisterende armaturer Praktiske forsøg Statisk armatur opsat hos Velux Kokkedal Indledende forsøgsresultater CFD-beregninger...48 Afsluttende praktiske forsøg Konklusion på forsøgsresultater Statisk armatur Lindab PCA 160 opsat hos Dansk Metal KBH...54 D:\ _Slutrapport_Modulerende ventilation.docx 4

5 4.6.1 Indledende forsøgsresultater CFD-beregninger Afsluttende praktiske forsøg Konklusion på forsøgsresultater Selvregulerende indblæsningsarmatur KONSTRUKTION Samlet konklusion på statiske armaturer Dimensionering af armaturer til modulerende ventilation Armaturets geometriske udformning Samlet konklusion på statiske armaturer Udformning af kanalsystem i forbindelse med armaturløsninger Analyse af målinger, beregninger og CFD Konklusion og analyse Situationsoversigt Strømning i lokaler med termisk belastning Varmekildens betydning IMPLEMENTERING I TREND CONTROL Velux behovsstyring Reguleringsstrategi Dansk Metal behovsstyring Reguleringsstrategi Ventilation Rumregulering D:\ _Slutrapport_Modulerende ventilation.docx 5

6 1 Indledning I forbindelse med større renoverings- og moderniseringsprojekter primært i det ældre kontorbyggeri, skoler, større institutioner etc., er der trods det ofte relative store energiforbrug til ventilation og eventuel mekanisk kompressorkøling en tilbageholdenhed med gennemgribende renoveringer af det eksisterende ventilationssystem. Konsekvenserne for det atmosfæriske- og termiske klima og komponenternes indbyrdes påvirkninger, er svære at overskue selv for fagfolk med indsigt i ventilationsteknik, automatik og bygningsfysik. Det kommer tydeligst til udtryk i fx de tidligere ELO rapporter og i de nuværende Energikonsulent og Energivejleder rapporter, hvor anbefalede tiltag indenfor ventilation dels er sparsomme, dels går på mere simple ting som udskiftning af ventilator, motor, cirkulationspumpe mm., det vil sige mest fokusering på selve ventilationsaggregatet og dets delkomponenter. Det lovpligtige ventilationseftersyn (LEV) levner slet ikke plads til disse overvejelser. Det mest almindelige ventilationssystem i det ældre eksisterende kontorbyggeri er CAVanlæg (Constant Air Volume), som kort fortalt har følgende fordele/ulemper: Relativt billigt i anskaffelse på grund af enkelt opbygning af kanalsystem og indblæsningsarmaturer. Herforuden forholdsvis simpel regulering Relativt let at indregulere Ingen spjældregulering og nødvendigt konstant fortryk i kanalsystemet Lille grad af individuel temperaturregulering i rummene Normalt uden frekvensstyring, dvs. konstant luftmængde hele tiden og hermed et højere el- og varmeforbrug Den ultimative ventilationsløsning er et rigtigt VAV-anlæg (Variable Air Volume), som kort fortalt har følgende fordele/ulemper: Reduceret el- og varmeforbrug pga. mulighed for behovsstyring Høj grad af individuel temperaturregulering i rummene Anlægget skal forsynes med volumenstrømsregulatorer Støj kan optræde i forbindelse med volumenstrømsregulatorerne Svært at indregulere anlægget Relativt dyrt i anskaffelse på grund af volumenstrømsregulatorer og mere avancerede armaturer Begrænset valg af velegnede indblæsningsarmaturer En VAV-volumenstrømsregulator kan kort fortalt være opbygget som: Mekanisk virkende regulator Et loftarmatur, hvor en bundplade kan bevæges ved hjælp af en elektrisk motor Et afspærringsspjæld med indbygget trykføler Uanset hvilken form for VAV-regulator der vælges, skal der som tidligere beskrevet være et statisk fortryk af en vis størrelse til stede for at få regulatoren til at fungere korrekt, hvilket er grafisk illustreret på den efterfølgende Figur 1.1. D:\ _Slutrapport_Modulerende ventilation.docx 6

7 Figur 1.1 Viser tryktabet i kanalsystemet ved henholdsvis et rigtigt VAV-anlæg og et CAV-anlæg forsynet med frekvensstyring som funktion af volumenstrøm men. Det nødvendige statiske fortryk i VAV-anlægget, selv ved små volumenstrømme er i princippet direkte spild af elektrisk energi, da tabet skal dækkes af ventilatoren. Ved større renoveringsopgaver vil der derfor være et større økonomisk incitament og kortere TBT ved at modificere et eksisterende CAV-anlæg uden frekvensstyring om til et modulerende low-cost VAV-anlæg. Selv på bekostning af den fuldstændige individuelle temperaturregulering for rummene. Overordnet set er et ægte VAV-anlæg bestykket med meget mere automatik og reguleringsudstyr end et modulerende low-cost VAV-anlæg, hvilket selvfølgelig giver mulighed for regulering af hver eneste rum uafhængig af hinanden grundet brug af følgende komponenter pr. rum: Trykuafhængig VAV-regulator (blænde, trykføler, termostat, regulator, aktuator og spjæld) Mulig brug af eftervarmeflade og/eller køleflade Herforuden er et VAV-anlæg på centrale steder i kanalsystemet forsynet med spjæld der hele tiden sikrer et nødvendigt fortryk til VAV-regulatoren. Et modulerende low-cost VAV-anlæg kan ikke regulere på rumniveau; men på zoneniveau. Anlægget er derfor velegnet til bygninger, hvor flere rum med nogenlunde ens belastning kan reguleres som én zone fx en nord- eller sydfløj. Der spares herved mange komponenter på hele anlægget; men fokus skal i stedet blandt andet være på udvikling af effektive indblæsningsformer, der kan tåle en variation i luftmængden uden risiko for trækgener. D:\ _Slutrapport_Modulerende ventilation.docx 7

8 Forsøg udført på Aalborg Universitet i laboratoriet viser en kompleks sammenhæng mellem forskellige indblæsningssystemers ydeevne og netop samspillet mellem temperaturdifferens og volumenstrøm. Figur 1.2 Den lodrette akse er temperaturdifferensen mellem udsugning og indblæsning, ΔT 0 og den vandrette akse er volumenstrømmen til lokalet, q 0 Figur 1.2 viser, hvorledes der skal tilføres en vis luftmængde til rummet for at opretholde en god luftkvalitet. Det ses også, at der i mange tilfælde ikke kan tilføres en ubegrænset luftmængde, uden der opstår træk, og det ses ligeledes, at en for stor temperaturdifferens vil skabe træk eller generere en stor lodret temperaturgradient i rummet. Det frie areal i grafen viser det område, hvor systemet opretholder et begrænset hastighedsniveau (< 0,15 m/s) og en begrænset temperaturgradient (< 2,5 o C/m), og en luftkvalitet der er over 10 liter/s pr. person. Dette råderum eller frie areal må ikke blive for smalt eller for lavt, da det vil begrænse dynamikken (range) for modulerende ventilation. Figur 1.3 Figuren viser, at det også kan være ventilationssystemet, der sætter begrænsningerne, fx en begrænset luftmængde, en begrænset minimumstemperatur eller en begrænset kølekapacitet. D:\ _Slutrapport_Modulerende ventilation.docx 8

9 Ventilationseffektiviteten spiller også en vigtig rolle for den nødvendige ventilationsrate (luftstrøm): v C C ud op C ud er sporgaskoncentrationen i udsugningen C op er middelsporgaskoncentrationen i opholdszonen Jo større værdi af ε v desto bedre ventilationseffektivitet, hvilket også fremgår af udtrykket for nødvendig volumenstrøm, se efterfølgende udtryk: Fra DS En lille værdi af ε v betyder at der skal volumenstrømmen skal øges med øget el- og varmeforbrug til følge. Energisparepotentialet ved at gå fra CAV til VAV eller DCV er estimeret på de følgende grafer: Figur 1.4 Beregning af energiforbrug til opvarmning og energiforbrug til lufttransport for kontorbygninger udført af Exhausto A/S. /HVAC 8, august 2006/ D:\ _Slutrapport_Modulerende ventilation.docx 9

10 Ved gennemgang af en bygning, er der flere relevante faktorer, som må bringes i fokus: Figur 1.5 Skabelonen viser hvilke overvejelser, som er i spil ved kortlægning af muligheden for konvertering fra CAV til low cost VAV. Pilene på figuren antyder, at der ikke er tale om en simpel one-way optimering; men derimod en mere kompleks ting, hvor flere ting er i spil, og optimeringen i de fleste tilfælde foregår i flere omgange. I det efterfølgende er vist et mere konkret eksempel på brug af den overordnede skabelon: D:\ _Slutrapport_Modulerende ventilation.docx 10

11 Figur 1.6 Første skridt er et overblik over bygningsorientering og udstrækning af interesseområde. I dette tilfælde er der kun tale om blok 1 og 1. og 2. sal selvom kun 1. sal er vist på tegningen. Bygningen er vist med Google Map værktøjet. Figur 1.7 Næste skridt er en nærmere lokalisering af indblæsning og udsugning for de enkelte lokaler med henblik på en praktisk fornuftig zoneinddeling. D:\ _Slutrapport_Modulerende ventilation.docx 11

12 Figur 1.8 Endelig skal området hvor fordelingskanalerne er placeret identificeres. Ofte er der tale om en lodret skakt, som strækker sig fra kælder til øverste etage. Zoneinddelingen vil i de fleste tilfælde få et udseende, som direkte matcher fordelingskanalernes placering. D:\ _Slutrapport_Modulerende ventilation.docx 12

13 Figur 1.9 Inden endelig placering (og fastlåsning) af zoner i forsyningsområdet bør der foretages vurderinger af den termiske belastning i de varme sommermåneder med hen blik på luftmængdejusteringer mellem de enkelte zoner. Der vil i projektet blive ud viklet to Excel baserede programmer, som kan estimere temperaturniveauet for et enkelt lokale (eller zone) ad gangen. Det er dog ikke muligt direkte at lave (konvertere) et eksisterende CAV-anlæg om til et modulerende low-cost VAV-anlæg uden at følgende forhold (uklarheder) er nærmere undersøgt i projektet og efterfølgende beskrevet i et operationelt værktøj for de udførende: Udvikling af billigt lavtryks indblæsningsarmatur, der kan håndtere modulerende ventilation og samtidig fastholde høj ventilationseffektivitet Udvikling af renoveringskit til eksisterende statisk indblæsningsarmatur D:\ _Slutrapport_Modulerende ventilation.docx 13

14 Udvikling af overordnet reguleringsalgoritme der bedst muligt håndterer det atmosfæriske- og termiske klima med baggrund i (Multiple Input og Multiple Output) også kaldet MIMO-styring Input signaler kan fx være rumtemperatur, udsugningstemperatur, CO 2 koncentration, solindfald, PIR-følere. Output signaler kan fx være styring af indblæsningstemperatur, volumenstrøm, eventuel solafskærmning, eventuel supplerende naturlig ventilation (sommertilfælde). Udvikling af simpelt Excel baseret beregningsværktøj til vurdering af temperaturniveau og luftmængdebehov i forskellige zoner CAV-anlæg er typisk SISO-styrede (Single Input og Single Output), hvor Input er en rumtemperaturføler og Output en indblæsningstemperatur. D:\ _Slutrapport_Modulerende ventilation.docx 14

15 2 Konklusion Rapporten beskriver et koncept for renovering af ældre eksisterende CAV anlæg om til modulerende low-cost VAV anlæg. Konceptet er efterfølgende implementeret på komplet CAV anlæg på Velux A/S i Hørsholm og på udsnit af stort CAV anlæg på Dansk Metal i København. Velux domicil i Hørsholm. Dansk Metal domicil i København. Konceptet bygger på, at hele det ventilerede område kan inddeles i passende indeklimazoner, som kan dække fra ét til flere kontorer med nogenlunde samme indeklimabehov. Der er til denne indledende indeklimavurdering udviklet to relative simple værktøjer, som kan estimere temperaturniveauet i ét lokale ud fra ventilationsluftmængde, varmebelastninger etc.: BSimFast (Døgnmiddeltemperatur beregning efter grundlag i SBI 196, 2000) BSimLight (Temperatursimulering efter grundlag i Danvak Grundbog i Varme- og Klimateknik) Begrebet ét lokale kan også udstrækkes til én zone med passende forudsætninger. I sagens natur beregnes dog kun én midlet lokaletemperatur. D:\ _Slutrapport_Modulerende ventilation.docx 15

16 De enkelte klimazoner blev forsynet med Halton HFB reguleringsenhed på indblæsningsog udsugningssiden. I projektet blev følgende feed-back muligheder benyttet: HFB enhedens spjældåbningsgrad (0 til 90 grader) HFB enhedens aktuelle flow HFB enhedens udsugningstemperatur Herforuden feed-back fra: Frekvensomformeren (ventilatorernes omdrejningstal) Det centrale statiske kanaltryk ved ventilationsaggregatet Der er i projektet opstillet en reguleringsalgoritme, som sikrer en robust styring af hele ventilationsanlægget uden uheldige pendlinger, baseret blandt andet på udsugningstemperaturen for de enkelte klimazoner, og med kravet om at mindst ét reguleringsspjæld altid står mindst 80 % åbent. Det har vist sig, at informationer om de aktuelle delluftmængder var nødvendige foruden de enkelte spjældindstillinger. I modsat fald kunne der ikke sikres en pendlingsfri styring. Som sagt var det herved udsugningstemperaturen fra de enkelte klimazoner, som bestemte de respektive luftmængder. Velux Specifikationer og driftsmønster på CAV anlægget på Velux var følgende i før situationen: Konstant luftmængde på m 3 /h Roterende varmeveksler på 70 % Årlig driftstid på timer (60 x 52) Interiør fra Velux kontorbygning. De årlige udgifter på Velux var i før situationen: kwh/år ( kr.) (varmeflade) kwh/år ( kr.) (ventilatorer) kwh/år ( kr.) (kølekompressor) El = 2,0 kr./kwh og varme = 0,80 kr./kwh D:\ _Slutrapport_Modulerende ventilation.docx 16

17 De totale energiudgifter udgjorde hermed omkring kroner pr. år. Den modulerende styring kunne regulere luftmængdeintervallet indenfor: Minimum m 3 /h (friskluftbestemte luftkvalitetsbehov primært i opvarmningsperioden) Maksimum m 3 /h De årlige energiudgifter kan nu (set over et helt år) med baggrund i udførte målinger og beregninger estimeres til: kwh/år ( kr.) (varmeflade) kwh/år ( kr.) (ventilatorer) 0 kwh/år (0 kr.) (kølekompressor) Resultatet i sommerperioden med udgangspunkt i målinger for hele juli måned var elbesparelser på 61 % i forhold til et fast kanaltryk, som er stort nok til at levere det maksimale indblæsningsflow. De totale udgifter vil hermed udgøre omkring kroner pr. år. Den forventede besparelse kan således beregnes til: kroner pr. år. Udgifterne var overordnet fordelt på følgende poster: Halton HFB enheder: JS Ventilation: Trend/Intelligent Bygningsautomatik: Frekvensomformere: De totale udgifter udgjorde hermed omkring kroner pr. år. Dansk Metal Dansk Metal havde allerede i sin kontorbygning diverse zonespjæld, så målsætningen var her primært at implementere styringsstrategien. En anden forskel bestod i at ventilationsanlægget havde status af klimaanlæg, dvs. opvarmningsbehovet (transmissionstabet) blev dækket af klimaanlægget. Energiforbruget til opvarmning var primært bundet op på antallet af graddage som afhængig variabel. Den ventilerede dimensionerende luftmængde var m 3 /h og udregnet pr. modul (3 x 6 = 18 m 2 ) 250 m 3 /h. D:\ _Slutrapport_Modulerende ventilation.docx 17

18 Interiør fra Dansk Metal kontorbygning. Før implementering af ny styring udgjorde elforbruget til ventilatorer kwh for hele året Efter implementering udgjorde elforbruget til ventilatorer kwh for hele året 2010 eller omkring 65 % sammenlignet med Indlæsningsarmaturer Det har været nødvendigt at fokusere på de eksisterende indblæsningsarmaturer, som oprindeligt var designet til konstant luftmængde. Det vil være helt udelukket at udskifte alle indblæsningsarmaturer til helt nye moderne motorstyrede VAV armaturer på grund af økonomien. En økonomisk god løsning er derfor udskiftning af hele bundsektionen, som typisk sidder fast med fire metalpinde. I projektet er der arbejdet meget med prototypeløsninger der kunne fungere på de eksisterende indblæsningsarmaturer. Selvom der findes mange forskellige armaturer på markedet kan grundidéen (basiskonceptet) stadigvæk sagtens bruges. Statisk Armatur med Coanda bundplade (SAC): Billede af et SAC armatur. Det har vist sig, at kvaliteten af bevægelsesmængdeimpulsen for de eksisterende armaturer ikke var optimal. Der er i projektet arbejdet med kraftig forbedring af strømningsmønsteret fra armaturet således. at luften så vidt muligt ledes ud af armaturet i den vektorielle gunstige retning parallelt med loftet uden for meget turbulens, rotation m.m. D:\ _Slutrapport_Modulerende ventilation.docx 18

19 Herved udnyttes Coanda effekten bedst muligt, og indblæsningsstrålen kan holdes svævende i længere tid under loftet. I projektet er der arbejdet med 2 x 4 klimazoner i den ene demobygning. Den valgte inddeling, som afhænger af mange faktorer er uddybet i inddelingen. For at kunne tage hensyn til, at fx et enkelt kontorlokale i en klimazone termisk kan afvige mere end normalt, er der udviklet et særligt avanceret armatur, som kan placeres i dette kontorlokale. Hvis rumtemperaturen kommer over en vis værdi (fx 25 ºC) ændres modstanden i armaturer og en relativ større andel luft strømmer til dette kontorlokale på bekostning af resten af den pågældende klimazone. Armaturet er strømløst og mekanismen bygger derfor på termisk udvidelse af avancerede materialer, som det blandt andet kendes fra drivhusindustrien. Herved får armaturet modulerende egenskaber. Termisk Modulerende Armatur med Coanda bundplade (TMAC): Billede af et TMAC armatur. D:\ _Slutrapport_Modulerende ventilation.docx 19

20 3 Kortlægning af eksisterende kontorbygninger De udvalgte kontorbygninger er: Velux A/S, Ådalsvej 99, 2970 Hørsholm Dansk Metal, Nyropsgade 38, 1602 København V Kortlægning af de to bygninger består af følgende: Generel beskrivelse af bygningen og ventilationsanlæg Bygningens data Indeklimaet, herunder ind- og udsugede luftmængder Registrerede temperaturforhold i kontorer og anlæg 3.1 Indeklimakrav i kontorbygning For at sikre et optimalt indeklima både termisk og atmosfærisk i kontorbygninger er det vigtigt, at disse opfylder kravene i DS474. Da DS474 ikke omhandler atmosfærisk indeklima og ikke har en trækvurdering (DR, draft rating), der angiver en procentdel af personer, som forventes at være utilfredse på grund af træk og den heller ikke omhandler det atmosfæriske indeklima, anvendes DS/CEN/CR 1752 og arbejdstilsynets anbefalinger til sammenligning med de registrerede forhold i kontorerne Termisk indeklima Temperaturer Som vejledning er der i DS474 angivet nogle grænser for temperaturintervaller, temperaturdifferencer og middellufthastighed for en siddende person (1,2 met), som vil sikre, at 80 % af personer i rummet vil være tilfredse med almindelig indendørs påklædning svarende til årstiden. Operativ temperatur i opholdszonen: Sommer (beklædning = 0,5 clo) 23 C - 26 C Vinter (beklædning = 1,0 clo) 20 C - 24 C Lokale påvirkninger (uddrag fra DS474): Lodret temperaturforskel mellem ankel- og hovedhøjde Overfladetemperatur af gulv 19 C<t g <26 C Strålingstemperaturasymmetri mellem vindue og rum t a <3 C t a <10 C Toleranceoverskridelse I perioder hvor udetemperaturen eller andre forhold er ekstreme og overskrider projekteringsforudsætningerne, kan det længerevarende tillades at kravene til termisk indeklima overskrides. I DS474 gives følgende vejledende krav: Timer med temperatur over 26 C: maks. 100 timer Timer med temperatur over 27 C: maks. 25 timer D:\ _Slutrapport_Modulerende ventilation.docx 20

21 Lufthastigheder (træk) Vurderingen af, om en given lufthastighed opfattes som træk er afhængig af lufttemperaturen samt turbulensintensiteten i luftens bevægelse, dvs. hvor meget hastigheden varierer over tiden. DS474 anbefaler højst 15 % utilfredse med træk. Dette er illustreret i figuren herunder. Figur 3.1 ved Tilladelig middellufthastighed som funktion af lufttemperatur og turbulensintensitet højst 15 % utilfredse Trækvurderinger beregnes vha. følgende udtryk (trækmodel) DR (34 t a )(v * 0,05) 0,62 (0,37 * v * T u + 3,14) hvor: DR er trækvurdering, dvs. procentdelen af utilfredse pga. træk i % t a er den lokale rumlufttemperatur (19<t a <27 C) i C v er den lokale middellufthastighed i m/s T u er den lokale turbulensintensitet i % Atmosfærisk indeklima Ved vurdering af det atmosfæriske indeklima ses på luftens indhold af CO 2 - koncentrationen, samt den relative luftfugtighed. Denne vurdering foretages dels ud fra At-vejledning A.1.2, hvor der står følgende: Hvis personer i lokalet er den største forureningskilde, måles luftens indhold af CO 2, og den bør ikke være større end ppm. Hvis luftens indhold overstiger ppm i mere end korte perioder af en dag anses ventilationen for at være utilstrækkelig. D:\ _Slutrapport_Modulerende ventilation.docx 21

22 Ved anvendelse af DS/CEN/CR 1752 er CO 2 -koncentrationen over niveauet udendørs for de tre kategorier: A: 460 ppm B: 660 ppm C: ppm svarende til 15 %, 20 % og 30 % utilfredse. 3.2 Spørgeskemaundersøgelse For at undersøge hvad brugerne af de undersøgte bygninger mener om bygningernes indeklima, blev der i perioderne vinter og sommer foretaget en spørgeskemaundersøgelse på 1. og 2. etage i blok 1. Spørgeskemaet blev omdelt til samtlige medarbejdere på etagerne. Se bilag 3. Resultatet af undersøgelsen Velux blok 1, 1. og 2. etage Dansk Metal anlæg 2 1. til 5. etage Registrering af indeklimaet på etage 1 og 2, blok 1, Velux Etage 1 til 5, Dansk Metal Registrering af indeklimaet Termisk indeklima i en vintersituation Følgende parametre blev målt ved en beklædning på 0,85 clo og en aktivitet på 1,2 met ~ stillesiddende aktivitet: Rumlufttemperatur ( C) Operativ temperatur ( C) Indblæsningstemperatur ( C) Fugtighed (% RF) Lufthastighed (m/s) Turbulensintensitet Atmosfærisk indeklima CO 2 -koncentration (ppm) Luftmængde (m 3 /h) D:\ _Slutrapport_Modulerende ventilation.docx 22

23 3.3 Velux generelt Bygningen består af 3 blokke i 4 etager, kælder, stue, 1. sal og 2. sal. Blok 1, der betjenes af anlæg D1-VO1, blev valgt som testområde. Bygningerne blev etableret i Ventilationsanlægget, der betjener området, er et CAV-anlæg, roterende varmegenvinding, varme og køleflade, se bilag 5.1 og 5.2. Anlæggets ydelse er m 3 /h. Bygningens data For at få et nuværende billede af bygningens belastning, skal der dels indhentes de oplysninger, som vil give et estimat om hvorledes temperaturforholdene vil blive for et lokale uden køling, samt om kravet til luftkvaliteten kan overholdes. Følgende oplysninger for en beregning af en valgt døgnmiddeltemperatur af udeluften: Gulvareal [m 2 ] Luftstrøm [m 3 /h] Vinduesarealer med deres orientering [m 2 ] U-værdi for vindue [W/(m 2 *ºC)] Vinduestransmittans [TST] U-værdi for væg og loft [W/(m 2 * ºC)] Belysning [W] Belastning af belysning [timer] Personbelastning [W] Belastning af personer [timer] Beregning af middelrumlufttemperaturen Transportevne i alt = Vinduestab + ventilationstab [W/ C] Transportevne pr. døgn [Wh/døgn] Soltilskud [Wh/døgn] Personvarme [Wh/døgn] Lys [Wh/døgn] Varmetilskud i alt [Wh/døgn] Middelrumlufttemperaturøgning: Varmetilskud / Transportevne [ C] Middelrumlufttemperatur = Udetemperatur + Middelrumlufttemperaturøgning [ C] Effektvariation Akkumuleringstype (let, middel, tung) Solvarme Stråling 2/3 * [W/m 2 ] * TST * Vinduesareal * Akkumuleringstype [W] Konvektion ½ * [W/m 2 ] * TST * Vinduesareal Personbelastning [W] Lys [W] Udetemperaturbelastning = Transportevne * Temperaturforskel [W] Belastningsvariation i alt Belastning = Belastningsvariation / 2 +/- [W] D:\ _Slutrapport_Modulerende ventilation.docx 23

24 Temperaturvariation Transportevne [W/ C] Lagringsevne = W/(m2 * C) * [m 2 ] [W/ C] Varmedæmpningsevne i alt [W/ C] Temperaturglidning = Belastning / Varmedæmpningsevne [ C] Rumluftens temperatur over døgnet = Udetemperatur + Middelrumlufttemperatur +/- Temperaturglidning +/- [ C] Resultatet er den maksimale temperatur uden køling. Resultatet af en gennemgang på udvalgte rum på 1. sal fremgår af bilag 1.1. Plantegning over udvalgte rum til simulering af nødvendigt luftskiftefremgår af bilag 1.2. Rum 1 Gulvareal: 20,5 m 2 Afskærmning: 0,3 Udetemperatur = indblæsningstemperatur: 20,5 C Udeluftmængde: 250 m 3 /h ~ 4,9 [h -1 ] Min. temperatur: 21,7 C Maks. temperatur: 26,1 C Rum 2 Gulvareal: 20,5 m 2 Afskærmning: 0,3 Udetemperatur = indblæsningstemperatur: 20,5 C Udeluftmængde: 250 m 3 /h ~ 4,9 [h -1 ] Min. temperatur: 21,2 C Maks. temperatur: 25,5 C Rum 3 Gulvareal: 20,5 m 2 Afskærmning: 0,3 Udetemperatur = indblæsningstemperatur: 20,5 C Udeluftmængde: 200 m 3 /h ~ 3,9 [h -1 ] Min. temperatur: 21,3 C Maks. temperatur: 26,3 C Rum 4 Gulvareal: 117,5 m 2 Afskærmning: 0,3 Udetemperatur = indblæsningstemperatur: 20,5 C Udeluftmængde: m 3 /h Min. temperatur: 21,3 C Maks. temperatur: 26,3 C D:\ _Slutrapport_Modulerende ventilation.docx 24

25 De beregnede temperaturer er < DS 474 (sommer) 23 C < t 0 < 26 C 3.4 Resultat af målingerne Måleskema 1 udført den 25. januar 2010 hos Velux, se bilag 5.3. Termisk komfort Operative temperaturer Den operative temperatur er målt til mellem 23,7 og 26,1 C i de valgte kontorer, hvilket giver i gennemsnit en god kategori C, svarende til mindre end 15 % utilfredse på grund af at der er for varmt. Indblæsningstemperaturen er målt til 24 C, hvilket må siges at være for højt, og da de termostatiske radiatorventiler står i stilling 5 (fuld varme) skal årsagen til den relative høje operative temperatur dels søges i for høj indstilling af radiatortermostatventiler (bør være 3), og dels for høj indblæsningstemperatur, der bør være 0-2 C under rumtemperaturen. Træk Lufthastighederne er ikke registreret højere i arbejdszonerne end anbefalet i DS474, svarende til under 15 % utilfredse. Atmosfærisk komfort CO 2 -niveauet er omkring ppm, hvilket er under arbejdstilsynets anbefaling på ppm. Det kan derfor konkluderes at luftkvaliteten i kontorerne er meget tilfredsstillende. Den relative luftfugtighed er målt til mellem %, hvilket er inden for det anbefalede interval. Ventilationskapaciteten De lokale luftskifter i de målte områder er højere end det nødvendige luftskifte, og det kan derfor konkluderes, at luftskifterne vurderet i forhold til den atmosfæriske komfort er i overkanten. 3.5 Dansk Metal generelt Bygningen er en hjørneejendom på 6 etager, nedre- og øvre kælder, stue 1-5 sal og 6 sal. Det samlede opvarmede etageareal udgør ca m 2. Testområdet er kontorer fra 1-5 sal mod Nyropsgade, som betjenes af anlæg 1. Bygningen er fra 1970 og ventilationsanlægget er et renoveret to-kanalsystem (dual duct) med klimacentral og varmegenvinding. Klimacentralen er opbygget med recirkulering, varmeog køleflade. Anlægget er et CAV-anlæg der også benyttes til opvarmning af køling af kontorerne, se bilag 7.1. Anlæggets ydelse er ca m 3 /h. Bygningsdata D:\ _Slutrapport_Modulerende ventilation.docx 25

26 Bygningens belastning for et kontormodul blev også her beregnet ud fra de samme oplysninger som angivet under Velux. Resultat fremgår af bilag 1.3. Det udvalgte rum er lig med et vinduesmodul der udgør 6 x 3 m, se bilag 7.2 etageplan. Rum Gulvareal: 18 m 2 Afskærmning: 0,2 Udetemperatur = indblæsningstemperatur: 20,5 ºC Udeluftmængde: 250 m 3 /h Udsug: 250 m 3 /h Måleskema Dansk Metal, måling af indeklimaforholdene udført den 8. februar, se bilag 7.3. Termisk komfort Den operative temperatur er målt til mellem 20 og 22,9 C i de valgte kontorer, hvilket giver i gennemsnit kategori A, svarende til 6 % utilfredse. Indblæsningstemperaturer Indblæsningstemperaturen er målt til mellem 36,5 og 24,5 C. Årsag til den relative høje indblæsningstemperatur skyldes eventuelt at indblæsningsarmaturet ikke kan indblæse den varme luft ned i opholdszonen. Træk Lufthastigheden er ikke registreret højere i arbejdszonerne end anbefalet i DS474, svarende til under 15 % utilfredse. Atmosfærisk komfort CO 2 -niveauet er omkring ppm, hvilket er under arbejdstilsynets anbefaling på ppm. Det kan derfor konkluderes at luftkvaliteten i kontorerne er meget god. Den relative lufthastighed er målt mellem 16 % RF og 21 % RF, hvilket er inden for det anbefalede interval. Ventilationskapaciteten De indblæste luftstrømme fra armaturerne varierer en del fra de projekterende, men det må konkluderes at den atmosfæriske komfort er i overkanten. Måleskema 3 udført den 1. oktober Målingerne blev udført ved en driftsform ca. 70 % nedsættelse af luftmængden. Termisk form Den operative temperatur er målt til mellem 22,1 og 24,4 ºC i de valgte kontorer, hvilket giver i gennemsnit kategori A, svarende til 6 % utilfredse. D:\ _Slutrapport_Modulerende ventilation.docx 26

27 Indblæsningstemperatur Indblæsningstemperaturen er målt til mellem 23,1 og 26,4 ºC. Årsagen til en højere indblæsningstemperatur skyldes at der ikke er en tilstrækkelig god opblanding med rumluften i opholdszonen. Træk Lufthastigheden er ikke registreret højere i arbejdszonen end anbefalet i DS474 svarende til under 15 % utilfredse. Atmosfærisk indeklima CO 2 -niveauet er omkring ppm, hvilket er under de ppm. Den relative luftfugtighed er målt mellem 36 % RF og 40 % RF. 3.6 Velux konklusion af spørgeskemaundersøgelse om indeklimaforholdene Spørgeskemaundersøgelse vedrørende indeklimaet i kontorerne foretaget i september måned 2011 er blevet sammenholdt med registreringen. Resultatet af undersøgelsen holdes op imod de indeklimakrav som Bygningsreglementet anbefaler i DS/CEN/CR 1752 for ventilerede rum. Undersøgelsen omfatter 51 personer. Termisk indeklima 31 % er i kategori A svarende til <6 % forventede utilfredse 47 % er i kategori B svarende til <10 % forventede utilfredse 22 % er i kategori C svarende til 15 % forventede utilfredse hvilket må siges at være tilfredsstillende, da 69 % af de adspurgte sidder under en meter fra vinduet, hvilket kan medføre uønskede påvirkninger fra klimaskærmen og 65 % for direkte solstråling på arbejdspladsen Trækgener 94 % føler ikke trækgener og 6 % føler trækgener. Generelt vurderet til de 6 % utilfredse svarer til en kategori A. Luftkvalitet Kun 6 % er utilfredse med luftkvaliteten og føler ubehagelige lufte på arbejdspladsen, hvilket er bedre end kategori A, som angiver 15 % utilfredse. Med hensyn til CO 2 -koncentrationen så ligger denne også i kategori A og det må derfor vurderes at luftkvaliteten er god. D:\ _Slutrapport_Modulerende ventilation.docx 27

28 3.7 Dansk Metal konklusion af spørgeskemaundersøgelse om indeklimaforholdene Spørgeskemaundersøgelse vedrørende indeklimaet i kontorerne foretaget i februar og september måned er blevet sammenholdt med registreringen. Resultatet af undersøgelsen holdes op imod de indeklimakrav som Bygningsreglementet anbefaler i DS/CEN/CR 1752 for ventilerede rum. Undersøgelsen omfatter 40 personer i februar måned. Termisk indeklima 33 % er i kategori A svarende til <6 % forventede utilfredse 45 % er i kategori B svarende til <10 % forventede utilfredse 22 % er i kategori C svarende til 15 % forventede utilfredse hvilket må siges at være tilfredsstillende, da 58 % af de adspurgte sidder under en meter fra vinduet, hvilket kan medføre uønskede påvirkninger. Trækgener 68 % føler ikke trækgener og 32 % føler trækgener og af dem sidder 23 % for tæt ved vinduet. Generelt vurderet til de 32 % utilfredse svarer til en kategori C. Luftkvalitet Kun 12 % er utilfredse med luftkvaliteten og føler ubehagelige lugte på arbejdspladsen, hvilket er bedre end kategori A, som angiver 15 % utilfredse. Med hensyn til CO 2 -koncentratione så ligger denne også under kategori A og det må derfor vurderes at luftkvaliteten er god. Undersøgelsen omfatter 29 personer 1. oktober Termisk indeklima 49 % er i kategori A svarende til <6 % forventede utilfredse 31 % er i kategori B svarende til <10 % forventede utilfredse 17 % er i kategori C svarende til 15 % forventede utilfredse 3 % er under kategori C hvilket må siges at være tilfredsstillende, da 62 % af de adspurgte sidder under en meter fra vinduet og 76 % har en beklædning der giver en mindre isoleringsevne, hvilket kan medføre uønskede påvirkninger. D:\ _Slutrapport_Modulerende ventilation.docx 28

29 Trækgener 90 % føler ikke trækgener og 10 % føler trækgener og af dem sidder 62 % for tæt ved vinduet. Generelt vurderet til de 15 % utilfredse svarer til en kategori A. Luftkvalitet Kun 10 % er utilfredse med luftkvaliteten og føler ubehagelige lugte på arbejdspladsen, hvilket er bedre end kategori A, som angiver 15 % utilfredse. Med hensyn til CO 2 -koncentratione så ligger denne også i kategori A og det må derfor vurderes at luftkvaliteten er god. 3.8 Funktionsgennemgang af ventilationsforholdene i en kontorbygning I forbindelse med større renoverings- og moderniseringsprojekter primært i det ældre kontorbyggeri med det formål blandt andet at forbedre energimærket, er der trods det generelt relative store energiforbrug til ventilation/køling en tilbageholdenhed med gennemgribende renoveringer/ændringer af det eksisterende ventilationssystem. Konsekvenserne for det atmosfæriske- og termiske klima, og komponenternes indbyrdes påvirkninger, er svære at overskue selv for fagfolk med indsigt i ventilationsteknik og bygningsfysik. Det kommer tydeligst til udtryk i de tidligere ELO rapporter og i de nuværende Energikonsulent rapporter, hvor anbefalede tiltag indenfor ventilation dels er sparsomme, dels går på mere simple ting som udskiftning af ventilator, motor, pumpe m.m., det vil sige mest fokusering på selve ventilationsaggregatet og dets komponenter. Det mest almindelige ventilationssystem i det ældre eksisterende kontorbyggeri er CAVanlæg (Constant Air Volume), som kort fortalt har følgende fordele/ulemper: Relativt billigt i anskaffelse på grund af enkelt opbygning af kanalsystem og armaturer. Herforuden forholdsvis simpel regulering (se længere nede i dokument) Let at indregulere Ingen spjældregulering og nødvendigt fortryk i kanalsystemet Lille grad af individuel temperaturregulering i rummene Normalt uden frekvensstyring, dvs. konstant luftmængde hele tiden og hermed et højere el- og varmeforbrug D:\ _Slutrapport_Modulerende ventilation.docx 29

30 Den mere ultimative ventilationsløsning er et ægte VAV-anlæg (Variable Air Volume), som kort fortalt har følgende fordele/ulemper: Reduceret el- og varmeforbrug Høj grad af individuel temperaturregulering i rummene Anlægget skal forsynes med volumenstrømsregulatorer Støj kan optræde i forbindelse med volumenstrømsregulatorerne Svært at indregulere anlægget Relativt dyrt i anskaffelse pga. volumenstrømsregulatorer og mere avancerede armaturer (se længere nede i dokument) Begrænset valg af velegnede indblæsningsarmaturer En VAV-volumenstrømsregulator kan kort fortalt være opbygget som: Mekanisk virkende regulator Et loftarmatur, hvor en bundplade kan bevæges ved hjælp af en motor Et afspærringsspjæld med indbygget trykføler Uanset hvilken form for VAV-regulator der vælges, skal der som tidligere beskrevet være et fortryk af en vis størrelse til stede for at få regulatoren til at fungere korrekt, hvilket er grafisk illustreret på den efterfølgende Figur 3.2. Figur 3.2 Figuren viser tryktabet i kanalsystemet ved henholdsvis et ægte VAV-anlæg og et CAV-anlæg forsynet med frekvensstyring som funktion af volumenstrømmen. Dette nødvendige fortryk i VAV-anlægget selv ved små volumenstrømme er i princippet direkte spild af elektrisk energi, da tabet skal dækkes af ventilatoren. Ved større renoveringsopgaver vil der derfor være et større økonomisk incitament og kortere TBT ved at modificere et eksisterende CAV-anlæg uden frekvensstyring om til et D:\ _Slutrapport_Modulerende ventilation.docx 30

31 modulerende low-cost VAV-anlæg. Selv på bekostning af den fuldstændige individuelle temperaturregulering for rummene. Det er dog ikke bare muligt direkte at lave (konvertere) et eksisterende CAV-anlæg om til et low-cost VAV-anlæg uden at følgende forhold (uklarheder) er nærmere undersøgt ved en: Undersøgelse af samspillet (relationen) mellem volumenstrøm, indblæsningstemperaturens for betydningen for den mest energieffektive køling af bygningen (om natten uden personer i bygningen og om dagen med personer i bygningen). Ændring af eksisterende indblæsningsarmatur eller anskaffelse af et billigt lavtryks indblæsningsarmatur/system, der kan håndtere modulerende ventilation og samtidig fastholde høj ventilations- og temperatureffektivitet. Fastsættelse af placeringen/størrelsen af de varmeakkumulerende lag i klimaskærmen (loft, væg, gulv, betonsøjler m.m.) i relation til placering af indblæsningsarmaturet og indblæsningsmønsteret. Ved anvendelse af et nyt begreb kaldet køleeffektiviteten for bygningen. I begrebet indgår hvor effektiv den tilførte køleenergi (effekt) omsættes til de varmeakkumulerende lag (i dette tilfælde læs kuldeakkumulerende lag). Vurdering af hvilken reguleringsalgoritme der kan håndterer det atmosfæriske- og termiske klima med baggrund i (Multiple Input og Multiple Output) også kaldet MIMOstyring Input signaler kan fx være rumtemperatur, udsugningstemperatur, CO 2 koncentration, solindfald, PIR-følere. Output signaler kan fx være styring af indblæsningstemperatur, volumenstrøm, eventuel solafskærmning, supplerende naturlig ventilation (sommertilfælde). De tidligere CAV-anlæg var typisk SISO-styrede (Single Input og Single Output), hvor Input var en rumtemperaturføler og Output en indblæsningstemperatur. Forsøg udført på Aalborg Universitet i laboratoriet viser en kompleks sammenhæng mellem forskellige indblæsningssystemers ydeevne og netop samspillet mellem temperaturdifferens og volumenstrøm. Der er nogle rammer eller grænser, som i projektet skal fastlægges lidt nøjere gældende for rigtige kontorlokaler. D:\ _Slutrapport_Modulerende ventilation.docx 31

32 Figur 3.3 Den lodrette akse er temperaturdifferensen mellem udsugning og indblæsning, ΔT 0 og den vandrette akse er volumenstrømmen til lokalet, q 0 Figur 3.3 viser, hvorledes der skal tilføres en vis luftmængde til rummet for at opretholde en god luftkvalitet. Det ses også, at der i mange tilfælde ikke kan tilføres en ubegrænset luftmængde, uden der opstår træk, og det ses ligeledes, at en for stor temperaturdifferens vil skabe træk eller generere en stor lodret temperaturgradient i rummet. Det frie areal i grafen viser det område, hvor systemet opretholder et begrænset hastighedsniveau (< 0,15 m/s) og en begrænset temperaturgradient (< 2,5 o C/m), og en luftkvalitet der er over 10 liter/s pr. person. Dette råderum eller frie areal må ikke blive for smalt eller for lavt, da det vil begrænse dynamikken (range) for modulerende ventilation. Figur 3.4 Figuren viser, at det også kan være ventilationssystemet, der sætter begrænsningerne, fx en begrænset luftmængde, en begrænset minimumstemperatur eller en begrænset kølekapacitet. D:\ _Slutrapport_Modulerende ventilation.docx 32

33 Figur 3.5 Figuren viser forskellige indblæsningssystemers ydeevne i forsøgslokalet. Figur 3.5 viser ikke overraskende, at Diffuse ceiling inlet, det vil sige diffus loftindblæsning kan håndtere store variationer; men effektiviteten er måske ikke særlig god, da den nedadrettede volumenstrøm bevæger sig modsat af de interne varme volumenstrømme stammede fra varmekilder, personer. For at sikre et godt grundlag for ændring af eksisterende CAV-anlæg til et modulerende anlæg er følgende oplysninger nødvendige: Hvordan etableres en zoneinddeling for de modulerende kontorer i forhold til nord, syd, øst og vest? Kontorernes indretning og orientering Eksisterende CAV-anlægs placering samt kanalføringen frem til kontorerne og om der er monteret indreguleringsspjæld Tjek status for eksisterende ventilationsanlæg og evt. efterfølgende tilpasning, som ny indregulering Fordeling af luft til de enkelte armaturer giver det samme Varmeanlæg Varmeanlægsfunktion i bygningen skal undersøges, herunder: Hvordan reguleres fremførselstemperaturen og hvilken temperatur sendes ud til kontorerne? Hvordan fordeles varmen mellem radiatorer og varmeflader? Er der termostatventil og hvilken indstilling har disse? Hvad er rumtemperaturen? Opblandes radiatorvarmen med den indblæste luft? Det optimale indblæsningsarmatur inkl. kanalsystem. D:\ _Slutrapport_Modulerende ventilation.docx 33

34 3.9 Ventilationssystemer De nuværende ventilationssystemer der anvendes i dag er følgende: CAV (Constant Air Volume) konstant luftstrøm VAV (variable Air Volume) variabel luftstrøm efter temperaturen i rummet DCV (Demand Controlled Volume) behovstyret ventilation efter luftkvalitet For at kunne vurdere et ventilationssystems opgave, kan nedenstående skemaer anvendes, se Tabel 3.1. Principper fremgår af figur 3.6, 3.7 og 3.8. D:\ _Slutrapport_Modulerende ventilation.docx 34

35 3.9.1 Valg af ventilationssystem Anlægssystem Reguleret parameter Konstant Konstant indblæs- rumtemperatuningstemperatur Rumbelastning Forurening Varme/køling Grundprincipper CAV X Konstant Konstant Alternativ opvarmning/køling CAV X Konstant Variabel DCV X Variabel Konstant Kan styres automatisk eller manuelt. Alternativ opvarmning/køling VAV X X Konstant Variabel Luftstrømmen styres af en rumføler. Maks.strøm tilpasses maks. rumbelastning. Alternativ opvarmning eller med varmeflade i ventilationssystemet Fordele / ulemper Den konstante luftstrøm skal tilpasses den maksimale rumbelastning ellers vil varme- og forureningsbelastningen stige i rummet Fleksibel luftstrøm, hvilket medfører god luftkvalitet med varierende forureningsproduktion Kan kun borttransportere små varmebelastninger. Individuel temperaturregulering. Reguleringszonernes størrelse kan vælges med store fleksibilitet. Kan tilsluttes både opblandings- og fortrængningsprincippet Tabel 3.1 Systemet er ideelt hvis luftkvaliteten stilles til stor luftmængde Ved stor variation mellem min. og maks. luftstrøm kan systemet give træk D:\ _Slutrapport_Modulerende ventilation.docx 35

36 Tilfældbehobehobehov Ventilations- Varme- Køle- Opblanding Fortrængning CAV VAV CAV VAV X X X (X) X (X) (X) X X (X) 1 = ingen/små = stor/bedst X = bedst (X) = acceptabelt Ved kølebehov i området W/m 2 Fancoil Ved kølebehov større end 60 W/m 2 Kølelofter Tabel Skitseforklaring CAV-anlæg (Constant Air Volume) Hovedluftstrømmen og luftstrømmen til enkelte rum holdes konstante uafhængig af belastningen. V G V + hk/ ho11 Figur 3.6 D:\ _Slutrapport_Modulerende ventilation.docx 36

37 VAV-anlæg (Variable Air Volume) Luftstrømmen til de ventilerede områder tilpasses det aktuelle kølebehov. Fp V G V + RT Fp hk/ ho12 RT RT Figur 3.7 DCV-anlæg (Demand Controlled Ventilation) Luftstrømmen reguleres i de ventilerede områder, der tilpasses den aktuelle luftkvalitet Fp V G V + CO2 Fp hk/ ho13 CO2 Figur 3.8 D:\ _Slutrapport_Modulerende ventilation.docx 37

38 3.9.3 Hvad er modulerende ventilation Behovsstyret ventilation Modulerende ventilation (MAV-system) er et CAV system ombygget til behovsstyret efter luftkvalitet og temperatur i rummene i en sommerperiode. I vinterperioden vil anlægget levere en min. luftstrøm, der sikrer en god luftkvalitet. Radiatorsystemet vil sikre at det termiske indeklima overholdes. Principskitse af et CAV-anlæg der er ændret Anlægget er ændret til et modulerende anlæg (MAV-anlæg) med 3 indeklimazoner. V G V + hk/ ho14 Figur 3.9 Løsningskonceptet for at ændre et CAV-anlæg til et MAV-anlæg fremgår af afsnit 3.8. D:\ _Slutrapport_Modulerende ventilation.docx 38

39 4 Forsøgsbeskrivelse 4.1 Resume af forsøg De installerede armaturer hos Velux og Dansk Metal, blev testet i et forsøgslaboratorium. Forsøgets primære formål var at undersøge effektiviteten af armaturerne. Hvordan reagerede det på lave og høje luftmængder kombineret med en over-/undertemperatur i forhold til rumtemperaturen. Undersøgelser viste at armaturerne havde svært ved at klare kravene til ventilationseffektiviteten og der blev forsøgt forskellige muligheder for optimering. Vha. tilført røg og registrering af temperaturerne var det muligt at se forbedringerne i indblæsningsmønstreret. I afsnittet Statisk armatur hos Velux og Statisk armatur hos Dansk Metal er testene og resultaterne nærmere beskrevet. Alle resultater kan findes i bilag 2.2 til afsnittet om Velux armatur og bilag 2.3 til afsnittet om Dansk Metal armatur Modulerende armatur Der blev fremlagt en ide om et selvregulerende armatur, med samme reguleringsmåde som en termostatventil. Det innovative i ideen var at bruge en termohydraulisk cylinder, kendt fra drivhusindustrien, som ikke kræver dyr reguleringsautomatik. En termohydraulisk cylinder er en temperaturafhængig aktuator, der består af et stempel indeholdende voks. Denne voks udvider og trækker sig sammen alt afhængig af omgivelsernes temperatur. Ideen om et temperaturregulerende armatur, udmøntede sig i projektet Termohydraulisk cylinder, vedlagt i bilag 2.4 til termohydraulisk cylinder. Der blev foretaget omfattende CFD-beregninger på udviklingen af de forbedrede armaturer. På baggrund af tidligere erfaringer og CFD-beregningerne, blev forsøgsopstillingen ændret, for bedre, at kunne dokumentere de fundne resultater. Se bilag 2,5 til CFDberegninger. 4.2 Fælles forsøgsbeskrivelse De indledende forsøg blev foretaget på Teknologisk institut i Tåstrup, og et forsøgslaboratorium blev opstillet. Figur 4.3 Formålet med forsøgene var at kortlægge armaturets egenskaber. De pågældende armaturer er dimensioneret til luftmængder mellem m 3 /h og der skulle undersøges hvordan armaturet reagerede ved luftmængder i området m 3 /h. Der blev testet på to statiske armaturer, et radial-armatur ophængt hos Velux Kokkedal, fabrikant ukendt og et Lindab PKA 160 ophængt hos Dansk Metal København. Se hhv. Figur 4.1 og Figur 4.2. D:\ _Slutrapport_Modulerende ventilation.docx 39

40 Figur 4.1 Lindab PCA 160 Figur 4.2 Standardaramatur fra Velux For at vurdere de enkelte situationer, bruges begreberne Flow, V 0, ΔT, Middeltemp, Impuls, Kastelængde og Temperatureffektivitet. Nedenfor er begreberne, kort forklaret. Flowet defineres som antal kubikmeter luft pr. time. v 0 er den effektive indblæsningshastigheden. Defineret som ΔT er forskellen mellem luftens indblæsningstemperatur T i og luftens temperatur i opholdszonen T op (1,1m over gulvhøjde). Middeltemp. er middelværdien af temperaturen i opholdszonen T o målt i 3 punkter. Impulsen eller impulsstrømmen er defineret som hvor q er luftens massestrøm - m - v0 er indblæsningshastigheden - 0 er luftens densitet I m * v 0 q v0 0 * A0 * A0 er effektivt indblæsningsareal Kastelængden forstås ved den største afstand fra indblæsningsåbningen til den geometriske flade, hvor lufthastigheden overalt er 0,2 m/s Temperatureffektiviteten defineres ved hvor, - t u er temperaturen i udsugningen - t op er middeltemperaturen i opholdszonen - t i er temperaturen i indblæsningen t t u op t i t i D:\ _Slutrapport_Modulerende ventilation.docx 40

41 4.2.1 Beskrivelse af forsøgslaboratorium Forsøgslaboratoriet er et kvadratisk rum med dimensionerne L*B*H: 3m* 3 m * 2,5 m. Dette giver et gulvareal på 9 m 2 og et rumvolumen på 22,5 m 3. Lokalets vægge er isoleret med 100mm rockwool og kan opvarmes med radiator eller gulvvarme. Indblæsning og udsugning forsynes af laboratoriets anlæg. Med hensyn til at kunne vurdere, hvilken indflydelse de parametre, der påvirker luftbevægelserne i rummet (udover de termiske kræfter) har, vil der blive udført forsøg med varmekildernes placering og indblæsningsspaltens geometri. Figur 4.3 Testrum D:\ _Slutrapport_Modulerende ventilation.docx 41

42 Måleopstilling i testrum 3 m 1,5 m 1,5 m Udsug Måleudstyr 3 m Test armatur El-radiator hk/ ho15 Figur 4.4 Plantegning af testrum Snittegning v m o t r1,7 oo t r o t r o t r1,1 o t r 2,5 m o t r0,6 El-radiator o t r0,1 Figur 4.5 Snittegning af testrum Snit hk/ ho16 D:\ _Slutrapport_Modulerende ventilation.docx 42

43 Målemetode Følgende punkter måles: Udsugningstemperatur Indblæsningstemperatur 3 stk. rumtemperaturer under armatur i 1,1 m over gulv Temperaturmåling i højderne 0,1 m; 0,6 m; 1,1 m og 1,7 m ved armatur Lufthastighed og temperatur ved væg 1,1 m over gulv Lufthastighed ved loft 1 m fra armatur 4.3 Numeriske beregninger Numeriske beregninger af forskellige indsatser i armatur, med CFD-programmet Flow Simulation, en del af CAD-programmet SolidWorks. Der er foretaget omfattende CFD-beregninger, for at undersøge indsatsernes effekt på indblæsningsmønsteret, -hastigheden, tryktabet og kastelængden. Til afsnittet omhandlende statiske armaturer er CFD-beregningerne lavet for at eftervise tidligere opnåede resultater og for at undersøge forskellige designs af indsatsen. Til afsnittet omhandlende det modulerende armatur er CFD-beregningerne lavet for at udvikle en udformning af indsatsen med henblik på at skabe en autoritet og dermed en styring af luftmængden. Gældende for alle beregninger er, at en kopi af testlaboratoriet er konstrueret som CADmodel i SolidWorks. Alle beregningerne er regnet med samme kontrolvolumen og en temperaturforskel mellem indblæsning og udsugning på 5 C. De justerede parametre er: Geometrisk udformning Flow Tryk I beregningerne med de statiske armaturer, var den geometriske udformning af armaturet det eneste parameter, der blev justeret på. Der blev beregnet med den perforede plade på armaturet, uden den perforerede plade og med forskellige indsatser i armaturet. Beregningerne til det modulerende armatur havde til formål at give armaturet en hvis autoritet, samtidig med at bruge erfaringerne fra tidligere forsøg og beregninger til at gøre luftstrømningen gennem armaturet så optimal som muligt. I disse beregninger blev der justeret på den geometriske udformning, flowet og trykket D:\ _Slutrapport_Modulerende ventilation.docx 43

44 4.3.1 Optimering af eksisterende armaturer CAD-modellen af testlaboratoriet med det tilsvarende armatur kan ses nedenunder. Figur 4.6 Figur 4.7 Figur 4.8 Følgende forudsætninger blev opstillet: Flow 0,028 m 3 /h tilsvarende 100 m 3 /h Atmosfærisk tryk ved udsugning Spaltehøjde på 20 mm Tidligere forsøg har vist at en spaltehøjde på 20 mm er den bedste med hensyn til støj og indblæsningshastighed. Se bilag til 2.2 afsnittet Velux armatur I CFD-programmet Flowsimulation kan der opstilles mål goals som programmet vil konvergere mod, goals ene fungerer som målinger i praksis ville gøre, med den fordel at der kan opstilles nye goals-beregninger baseret på de fundne værdier. Følgende goals er opstillet: D:\ _Slutrapport_Modulerende ventilation.docx 44

45 PG Temperatur 1,1 i opholdszonen [K] PG Temperatur 1,1m ved væg [K] PG Temperatur 1 m fra armatur [K] PG Velocity 1,1 i opholdszonen [m/s] PG Velocity 1,1m ved væg [m/s] PG Velocity 1 m fra armatur [m/s] SG Av Total Pressure Indblæsning [Pa] SG Av Static Pressure Udsugning [Pa] SG Av Dynamic Pressure Indblæsning [Pa] Indblæsningstemperatur [K] Hydraulic loss [ ] Kastelængde [m] Tabel 4.1 Den væsentligste forskel er at erfaringerne fra de indledende forsøg viste, at en lufthastighedsmåling i 1,1 m s højde ikke er tilstrækkelig, der er for meget forstyrrelse i luften til at give korrekte målinger. Derfor er der placeret et ekstra målepunkt 1 m fra indblæsningsåbningen. Efter fastlæggelse af gridnet, se Figur 4.9, blev forskellige indsatser afprøvet. Figur 4.9 Fastlægning af gridnet D:\ _Slutrapport_Modulerende ventilation.docx 45

46 Beregningsresultater Tabel 4.2 giver et eksempel på de vigtigste værdier fundet vha. CFD-beregninger. I bilag 2.5 CFD-beregninger, flere resultater og formlerne gengivet for de udregnede værdier. Standard armatur Standard armatur uden perforeret plade Bundplade Ø300 Bundplade Ø300 og kegle 1 Bundplade Ø300 og kegle 2 PG Velocity 1,1 i opholdszonen [m/s] 0,040 0,065 0,052 0,064 0,088 PG Velocity 1 m fra armatur v c [m/s] 0,257 0,278 0,271 0,276 0,293 Hydraulic loss h L [Pa] 3,5 3,5 3,1 3,5 4,5 Kastelængde l 0,2 [m] 1,23 1,34 1,35 1,38 1,47 Indblæsningshastighed v m [m/s] 2,03 2,03 1,49 1,49 1,49 Armaturfaktor C s [ ] 1,53 1,65 1,88 1,92 2,03 Tabel 4.2 CFD-resultater af optimering 4.4 Praktiske forsøg Da der på baggrund af CFD-beregningerne var udformet den optimale indsats, blev der konstrueret en prototype til isætning af de eksisterende armaturer. Se afsnit 5. Konstruktion for detaljer omkring konstruktion af prototypen. Som sidste del af udviklingen af prototypen, blev der foretaget en test i forsøgslaboratoriet. De indledende forsøg gav et rigtig godt billede af temperatureffektiviteten og ved hjælp af røgforsøg, luftfordelingen i lokalet, men havde en væsentlig mangel i målingerne af lufthastighederne. CFD-beregningerne bekræftede de opnåede resultater i de indledende forsøg og gav et godt billede af hvordan lufthastighederne omkring armaturet blev påvirket. Denne test havde til formål at bekræfte CFD-beregningerne. Af hensyn til tid blev målingerne foretaget isotermisk og lufthastighederne blev kun målt ved 100 m 3 /h. Der blev forsøgt skabt et hastighedsprofil for standard armatur og prototypen. Lufthastigheden blev målt 1 m fra indblæsningsåbningen og i 10 punkter med 1 cm mellem hvert målepunkt. Se også Figur 4.10 D:\ _Slutrapport_Modulerende ventilation.docx 46

47 v m 1 m 2,5 m Snit hk/ ho16-1 Figur Snittegning af testrum 4.5 Statisk armatur opsat hos Velux Kokkedal Indledende forsøgsresultater Formålet med forsøgene var at kortlægge armaturets egenskaber. De pågældende armaturer er dimensioneret til luftmængder mellem m 3 /h og der skulle undersøges hvordan armaturet reagerede ved luftmængder i området m 3 /h. De praktiske forsøg viste, at der er mulighed for forbedring af armaturets ventilationseffektivitet. Ved hjælp af simple tiltag såsom at placere en tragt på bundpladen og øge størrelsen af bundpladen, kunne impulsen øges, for derved bedre at kunne lede luften ud af armaturet og hen under loftet. Røgforsøg gav et klart billede af en øget ventilationseffektivitet. Figur 4.11 Standardarmatur Velux Figur 4.12 Forbedringer D:\ _Slutrapport_Modulerende ventilation.docx 47

48 Desværre gjorde faktorer som styring af flow, indblæsningstemperatur og den tilførte varmebelastning, det svært at have 100 % kontrol over forholdene omkring armaturet og dermed også pålideligheden af måleresultaterne. Derfor blev der lavet omfattende CFD-beregninger til understøttelse af resultaterne og for at give et billede af den indre dynamik i armaturet CFD-beregninger Disse resultater viste at problemerne med de praktiske målinger, var placeringen af målepunkterne. Ved at måle lufthastigheden under loftet 1 m fra armaturet, i stedet for i 1,1 m højde over gulv. Kunne der måles en klar forbedring af armaturfaktoren og det var muligt at determinere præcis hvilke faktorer der skulle ændres på, for at øge armaturets effektivitet. Tabel 4.3 Figur 4.13 Snit af forbedret armatur Standard armatur Standard armatur uden perforeret plade Bundplade Ø300 Bundplade Ø300 og kegle 1 Bundplade Ø300 og kegle 2 PG Velocity 1,1 i opholdszonen [m/s] 0,040 0,065 0,052 0,064 0,088 PG Velocity 1 m fra armatur v c [m/s] 0,257 0,278 0,271 0,276 0,293 Hydraulic loss h L [Pa] 3,5 3,5 3,1 3,5 4,5 Kastelængde l 0,2 [m] 1,23 1,34 1,35 1,38 1,47 Indblæsningshastighed v m [m/s] 2,03 2,03 1,49 1,49 1,49 Armaturfaktor C s [ ] 1,53 1,65 1,88 1,92 2,03 Tabel 4.4. CFD-resultater af optimering D:\ _Slutrapport_Modulerende ventilation.docx 48

49 Tabel 4.4 giver et overblik over de vigtigste værdier fundet vha. CFD-beregninger. I bilag 2.5 CFD-beregninger er flere resultater og formlerne gengivet for de udregnede værdier. Som det kan ses Tabel 4.4 er armaturfaktoren blevet øget med 30 % og kastelængden er dermed også blevet øget. Dette underbygger resultaterne opnået i de indledende forsøg. Figur Udsnit af standardarmatur Figur Udsnit af forbedret armatur Ved at nærstudere de fundne plot i Flowsimulation, kan det ses at når indsatsen sættes ind i armaturet, bliver luften presset ned mod bundpladen og koncentreret. Dette resulterer i at det effektive indblæsningsareal bliver reduceret(kontraheret) og den effektive indblæsningshastighed øget. Dermed bliver kastet også forøget. Figur 4.14 og Figur 4.15 viser forskellen på de to indblæsningsmønstre. I de indledende forsøg viste røgforsøgene, at indblæsningsmønsteret var blevet mere stabilt. Ved at plotte hele lokalet og medtage isolinierne, får man et tydeligt billede af hvor meget kastelængden er blevet forbedret. Som det kan ses på Figur 4.17 bliver mere af lokalet ventileret og det skal også bemærkes hvordan luften holder sig langs væggene i forhold til for eksempel Figur 4.19, hvor isolinierne indikerer en del mere turbulens i midten af lokalet. D:\ _Slutrapport_Modulerende ventilation.docx 49

50 Figur 4.16 CFD-plot af luftfordelingen med standardarmatur Figur 4.17 CFD-plot af luftfordelingen med forbedret armatur Et plot af temperaturfordelingen giver også et godt billede af forskellen. Figur 4.18 CFD-plot af temperaturfordelingen med standardarmatur Figur 4.19 CFD-plot af temperaturfordelingen med forbedret armatur Se også bilag 2.5 CFD-beregninger for flere CFD-beregninger og plots. Afsluttende praktiske forsøg Da der på baggrund af CFD-beregningerne var udformet den optimale indsats, blev der konstrueret en prototype til isætning af de eksisterende armaturer. D:\ _Slutrapport_Modulerende ventilation.docx 50

51 Som sidste del af udviklingen af prototypen blev der foretaget en test i forsøgslaboratoriet. De indledende forsøg gav et rigtig godt billede af temperatureffektiviteten og vha. røgforsøg, luftfordelingen i lokalet, men havde en væsentlig mangel i målingerne af lufthastighederne. CFD-beregningerne bekræftede de opnåede resultater i de indledende forsøg og gav et godt billede af hvordan lufthastighederne omkring armaturet blev påvirket. Denne test havde til formål at bekræfte CFD-beregningerne. Af hensyn til tid blev målingerne foretaget isotermisk og lufthastighederne blev kun målt ved 100 m 3 /h. Der blev forsøgt skabt et hastighedsprofil for standard armaturet og prototypen. Lufthastigheden blev målt 1 m fra indblæsningsåbningen og i 10 punkter med 1 cm mellem hvert målepunkt. For bedre at kunne illustrere forskellen på standard armaturet og prototypen er der målt lufthastigheden i forskellige afstande fra loftet, derved kan hastighedsprofilet illustreres. Testen blev foretaget isotermisk og ved luftmængden 100 m 3 /h Standard armatur x= 1 m Hastighedsprofil ved 100 m3/h afstand fra loft v x std. Dev. [m] [m/s][m/s] 0,1 0,1 0,06 0,09 0,11 0,06 0,08 0,14 0,07 0,07 0,16 0,08 0,06 0,2 0,09 0,05 0,22 0,1 0,04 0,23 0,1 0,03 0,27 0,1 0,02 0,29 0,11 0,01 0,31 0,11 Tabel 4.5 Prototype x= 1 m Hastighedsprofil ved 100 m3/h afstand fra loft v x std. Dev. [m] [m/s][m/s] 0,1 0,09 0,05 0,09 0,12 0,07 0,08 0,14 0,08 0,07 0,17 0,09 0,06 0,21 0,09 0,05 0,23 0,1 0,04 0,27 0,11 0,03 0,31 0,11 0,02 0,35 0,11 0,01 0,32 0,12 D:\ _Slutrapport_Modulerende ventilation.docx 51

52 4.5.3 Konklusion på forsøgsresultater Ud fra de indledende praktiske forsøg var det svært at konkludere på effekten af den perforerede plade. Pladen havde hverken en positiv eller negativ effekt på armaturet, under normale forhold. Dog blev der observeret turbulens omkring indblæsningen, hvis pladen skubbes for højt op og interferer med indblæsningsmønsteret, dette skyldes den ombukkede kant. Figur 4.20 Diagram over armaturfaktor Ved at sætte en indsats ind i armaturet og en større bundplade under armaturet, er indblæsningsmønsteret blevet ændret, således at luften ved 50 m 3 /h og en lille underkøling trænger ned langs væggen og opblandes ca. 1,1 m over gulvet. Dette giver en ventilationseffektivitet på ca. 0,96. Ved hjælp af CFD-beregningerne har det været muligt at underbygge resultaterne fra de indledende forsøg. Forbedringerne er blevet fastlagt vha. faktoren for armaturets geometriske udformning C s og vha. en forbedret kastelængde, se Figur 4.21 D:\ _Slutrapport_Modulerende ventilation.docx 52

53 Afstand fra loft[m] l 0,2 [m] 3,50 Kastelængde 3,00 2,50 2,00 1,50 Forbedret Standard 1,00 0,50 0, Flow [m 3 /h] Figur 4.21 Kastelængde Veluxarmatur Ligeledes har CFD-beregningerne underbygget erfaringen fra røgforsøgene, med et mere stabilt indblæsningsmønster. Som det kan ses på forsøgsresultaterne og Figur 4.22 er der en tydelig forskel i hastighedsprofilet 0 Forbedret armatur Standard armatur 0,1 [m/s] Figur 4.22 Hastighedsprofil ved 100 m 3 /h D:\ _Slutrapport_Modulerende ventilation.docx 53

54 4.6 Statisk armatur Lindab PCA 160 opsat hos Dansk Metal KBH Indledende forsøgsresultater Formålet med forsøgene var at kortlægge armaturets egenskaber. De pågældende armaturer er dimensioneret til luftmængder mellem m 3 /h og der skulle undersøges hvordan armaturet reagerede ved luftmængder i området m 3 /h. Da armaturet også skal stå for opvarmning, blev der også eksperimenteret med overtemperaturer i indblæsningsluften. Figur 4.23 Standardarmatur Dansk Metal De praktiske forsøg viste at der er mulighed for forbedring af armaturets ventilationseffektivitet. Primært armaturets kantede indløb, var årsag til en forringelse af impulsen. Til optimering brugtes den samme fremgangsmåde som placeringen af en tragt og en forøgelse af bundpladens størrelse. Derudover blev der også eksperimenteret med opsættelsen af en konstruktion der udjævnede det kantede indløb. Ved hjælp af røgforsøg var det tydeligt at se forskellen på før og efter optimeringen. Der vil komme trækgener fra et standard armatur, ved en luftmængde på 60 m 3 /h og en lille underkøling. Og når standardarmaturet får en luftmængde på 125 m 3 /h og en overtemperatur, trænger røgen kun ned i ca. 1,7 m s højde over gulv. Efter optimeringen kunne det konstateres at kastelængden blev forøget med ca. 60 % i en kølesituation og ca. 50 % i en varmesituation. For at give et billede af de forskellige prototyper, blev der foretaget isotermiske forsøg, til kortlægning af armaturets dynamik. Lufthastigheden blev målt ved væggen i 1,1 m højde over gulv. På Figur 4.24 kan forskellen i lufthastigheder ses. D:\ _Slutrapport_Modulerende ventilation.docx 54

55 Lufthastighed i opholdzonen 0,30 lufthastighed i opholdszonen 0,25 Standard 0,20 0,15 0,10 Tape på opbukket kant Tape og kegle Tape, kegle og større bundplade 0,05 0,00 125,00 175,00 225,00 275,00 Flow Figur Lufthastighed i opholdszonen CFD-beregninger CFD-beregningerne viste de samme tendenser som ved Velux-armaturet. Man kan få en betydelig forøgelse af armaturfaktoren, og dermed også kastelængden, ved forholdsvis simple tiltag. En ting der er værd at bemærke er at effekten af de forskellige tiltag hver for sig ikke er så markante, f.eks. kan man se i Figur 4.25 at kegle faktisk forringer armaturfaktoren en smule, hvis ikke ILRU er monteret. Men hvis de derimod kombineres, fås der en forbedring på 55 %. Figur 4.25 D:\ _Slutrapport_Modulerende ventilation.docx 55

56 Optimering af Lindab PCA 160 Standard armatur Standard med armatur perforeret med større plade bundplade Standard armatur med større bundplade og ILRU Standard armatur med større bundplade og kegle Standard armatur med større bundplade, ILRU og kegle PG Velocity 1,1 i opholdszonen [m/s] 0,066 0,056 0,065 0,047 0,081 PG Velocity 1 m fra armatur v c [m/s] 0,215 0,243 0,266 0,239 0,333 Hydraulic loss h L [Pa] 3,05 3,16 4,02 3,43 4,24 Kastelængde l 0,2 [m] 1,03 1,17 1,33 1,19 1,66 Indblæsningshastighed v m [m/s] 1,49 1,49 1,49 1,49 1,49 Armaturfaktor C s [ ] 1,49 1,69 1,85 1,66 2,31 Tabel 4.6 CFD-resultater af optimering Tabel 4.6 giver et overblik over de vigtigste værdier fundet vha. CFD-beregninger. I bilag 2.5 CFD-beregninger er flere resultater og formlerne gengivet for de udregnede værdier. Som det kan ses i Tabel 4.6 er armaturfaktoren blevet øget med 55 % og kastelængden er dermed også blevet øget. Dette underbygger resultaterne opnået i de indledende forsøg. Ved at nærstudere de fundne plot i Flowsimulation, kan det ses at når bundpladen forøges, så den går helt ud til kanten, der i sættes en ILRU og keglen sættes ind i armaturet, bliver luften ledt bedre igennem armaturet. Dette resulterer i at det effektive indblæsningsareal bliver reduceret(kontraheret) og den effektive indblæsningshastighed øget. Dermed bliver kastet også forøget. På denne måde undgås der trækgener ved en underkøling og impulsen øges, så der kompenseres for at den vertikale indblæsning ikke er til stede i en opvarmningssituation. Figur 4.26 og Figur 4.27 viser forskellen på de to indblæsningsmønstre. Figur 4.26 Udsnit af standard PCA armatur Figur 4.27 Udsnit af forbedret armatur D:\ _Slutrapport_Modulerende ventilation.docx 56

57 4.6.3 Afsluttende praktiske forsøg Da der på baggrund af CFD-beregningerne var udformet den optimale indsats, blev der konstrueret en prototype til isætning af de eksisterende armaturer. Som sidste del af udviklingen af prototypen blev der foretaget en test i forsøgslaboratoriet. De indledende forsøg gav et rigtig godt billede af temperatureffektiviteten og luftfordelingen i lokalet, og som med det foregående armatur bekræftede CFD-beregningerne opnåede resultater i de indledende forsøg og gav et godt billede af hvordan lufthastighederne omkring armaturet blev påvirket. Denne test havde til formål at bekræfte CFD-beregningerne. Af hensyn til tid blev målingerne foretaget isotermisk og lufthastighederne blev kun målt ved 100 m 3 /h. Der blev forsøgt skabt et hastighedsprofil for standard armaturet og prototypen. Lufthastigheden blev målt 1 m fra indblæsningsåbningen og i 10 punkter med 1 cm mellem hvert målepunkt. For bedre at kunne illustrere forskellen på standard armaturet og prototypen er der målt lufthastigheden i forskellige afstande fra loftet, derved kan hastighedsprofilet illustreres. Testen blev foretaget isotermisk og ved luftmængden 100 m 3 /h Standard armatur x= 1 m Hastighedsprofil ved 100 m3/h Prototype x= 1 m Hastighedsprofil ved 100 m3/h afstand fra loft v x [m] [m/s] 0,1 0,12 0,09 0,16 0,08 0,17 0,07 0,2 0,06 0,25 0,05 0,3 0,04 0,33 0,03 0,35 0,02 0,36 0,01 0,37 Tabel 4.7 afstand fra loft v x [m] [m/s] 0,1 0,14 0,09 0,18 0,08 0,2 0,07 0,25 0,06 0,29 0,05 0,37 0,04 0,41 0,03 0,45 0,02 0,49 0,01 0, Konklusion på forsøgsresultater Ud fra de indledende praktiske forsøg var det tydeligt at der ville komme trækgener ved lave luftmængder, hvis ikke armaturet blev optimeret. Simple forsøg med udjævning af kanter og tiltag som ved det foregående armatur viste at der bestemt var mulighed for optimering. D:\ _Slutrapport_Modulerende ventilation.docx 57

58 Afstand fra loft[m] l 0,2 [m] Ved hjælp af CFD-beregningerne kunne det fastlægges hvilke tiltag der skulle udføres for at få den optimale dynamik i armaturet. Ved at sætte en ILRU op i armaturet, forøge bundpladens diameter og indsætte en kegle, er armaturets dynamik ændret drastisk. Således undgås kuldenedfald og trækgener ved lave luftmængder, og underkøling af indblæsningsluften. En plotning af kastelængden for armaturet med og uden forbedringer giver et godt billede af optimeringen af armaturet. Se Figur ,00 3,50 3,00 2,50 Kastelængde 2,00 1,50 Forbedret Standard 1,00 0, Flow [m 3 /h] Figur 4.28 Kastelængden Lindabarmatur Ved at indtegne lufthastighedsprofilet givet af de praktiske afsluttende målinger også et godt billede af forskellen i dynamikken. 0 Forbedret armatur Standard armatur 0,1 [m/s] Figur 4.29 D:\ _Slutrapport_Modulerende ventilation.docx 58

59 4.7 Selvregulerende indblæsningsarmatur I bilag 2.4 Termohydraulisk cylinder blev det konstateret at armaturets autoritet ikke kunne styres alene ved hjælp af en justering af spaltehøjden. Derfor blev der eksperimenteret med en udformning af indsatsen, der kunne give armaturet en passende autoritet. Da armaturet skal kunne variere luftmængden afhængig af temperaturbelastningen. Bliver der fastholdt et statisk tryk på 50 Pa i indblæsningen og atmosfærisk tryk ved udsugningen. For at simulere cylinderens stempelvandring, blev der beregnet ved spaltehøjderne: 5 mm 10 mm 15 mm 20 mm 25 mm 30 mm Armaturet skal fungere som et normalt statisk armatur i området fra m 3 /h. Figur 4.30 CAD-model modulerende armatur Figur 4.31 Snit af CAD-model I det tilfælde at varmebelastningen, i det lokale armaturet er installeret, stiger efter anlægget er kørt op på maksimal luftmængde. Vil den temperaturafhængige føler reagere ved at øge spaltehøjden, sænke tryktabet over armaturet og derved øge luftmængden. Erfaringer fra tidligere forsøg viser at det vil være realistisk at sætte tryktabet ved de 300 m 3 /h til 4-5 Pa. Se evt. Figur Da ændringen af tryktab stiger i 2. potens af ændringen i flow, giver det et tryktab på m 300 h m 200 h x 4 Pa x 9 PA D:\ _Slutrapport_Modulerende ventilation.docx 59

60 Det vil sige at der skal tilstræbes et tryktab over armaturet på 9 Pa ved 200 m 3 /h og et tryktab på 4 Pa ved 300 m 3 /h. Derudover skal armaturet også have en hvis autoritet, hvis armaturet alternativt skal fungere som selvstændigt VAV-armatur. Beregningsresultater Forsøg 1 Spaltehøjde [mm] PG Velocity 1 m fra armatur [m/s] 0,129 0,217 0,272 0,228 0,242 0,190 SG Volume Flow Rate 1 [m^3/s] 0,026 0,052 0,066 0,076 0,085 0,092 Volume Flow [m^3/h] Hydraulic loss [ ] 25,38 7,21 4,88 3,90 3,32 3,00 Kastelængde [m] 0,65 1,08 1,36 1,14 1,21 0,95 Indblæsningshastighed v m [m/s] 5,57 5,53 4,66 4,04 3,61 3,24 Tabel 4.8 Resultasoversigt forsøg 1 modulerende armatur 50 Pa Forsøg 2 Spaltehøjde i mm PG Velocity 1 m fra armatur [m/s] 0,012 0,089 0,180 0,144 0,216 0,217 SG Volume Flow Rate 1 [m^3/s] 0,001 0,026 0,044 0,060 0,071 0,083 Volume Flow [m^3/h] Hydraulic loss [Pa] 7580,087 26,488 9,498 5,674 4,291 3,437 Kastelængde [m] 0,062 0,443 0,900 0,722 1,078 1,084 Indblæsningshastighed v m [m/s] 0,32 2,73 3,15 3,18 3,03 2,94 Tabel 4.9 Resultatsoversigt forsøg 2 modulerende armatur 50 Pa Der blev regnet på forskellige udformninger af halvkuglen/indsatsen i det modulerende armatur, da det er denne der giver tryktabskarakteristikken over armaturet. Tabel 4.8 og Tabel 4.9 gengiver resultaterne for to forsøg, med hver deres halvkugle/indsats, fundet vha. CFD-beregninger. Se bilag 2.5 CFD-beregninger for CFD-plot med de forskellige udformninger, resultater og formler. Resultaterne giver et godt overblik over de parametre der ændrer sig i takt med de geometriske ændringer. For eksempel kan det ses hvordan indblæsningshastigheden og kastelængden varierer i forhold til geometrien. Ved et plot af luftfordelingen, kan der også ses hvilke områder der for eksempel kunne være kritiske med hensyn til støj og lufthastigheder mv. Se Figur 4.32 D:\ _Slutrapport_Modulerende ventilation.docx 60

61 tryktab [Pa] Figur 4.32 CFD-plot af modulerende armatur Konklusion på forsøgsresultater Som det kan ses nedenunder har ændringen af halvkuglen ikke flyttet kurven så meget som forventet. Ud fra de givne krav til reguleringen, 9 Pa ved 200 m 3 /h og et tryktab på 4 Pa ved 300 m 3 /h, skal kurven flyttes længere mod højre. Se Figur ,00 25,00 20,00 15,00 10,00 5,00 Forsøg 1 Forsøg 2 Ideel 0,00 Figur spaltehøjde [m] Tryktab modulerende armatur Armaturets autoritet er dog blevet øget. Den første halvkugle kan reguleres fra m 3 /h, hvorimod den anden halvkugle kan regulere fra m 3 /h. Se Figur 4.34 Se også bilag 2.5 CFD-beregninger for CFD-plot og beregninger. D:\ _Slutrapport_Modulerende ventilation.docx 61

62 Flow [m 3 /h] Forsøg 1 halvkugle 2 Forsøg 2 halvkugle Spaltehøjde [mm] Figur Reguleringsområde modulerende armatur Et kontormiljø vil altid have lokaler der kræver ekstra ventilering eller ekstra regulering og ved at kombinere teknikker fra to verdener, ventilationsindustrien og drivhusindustrien, er der blevet fremstillet et selvregulerende indblæsningsarmatur. Armaturet giver mulighed for billigt at give individuel regulering af specielt belastede lokaler, hvilket kræver en ny reguleringsstrategi og en optimering af indsatsen. Derudover skulle en videreudvikling af det modulerende armatur, bevæge sig i retning af flere justeringsmuligheder. F.eks. en indreguleringsmulighed således at armaturet kan tilpasses det faktiske kanaltryk eller andre voksblandinger, sådan at reguleringsområdet kunne tilpasses andre situationer Figur 4.35 Snit af CAD-model D:\ _Slutrapport_Modulerende ventilation.docx 62

63 5 Konstruktion Der er blevet konstrueret en prototype til det statiske armatur og en prototype til det modulerende armatur. Prototypen til det statiske armatur blev konstrueret således at indsatsen kunne monteres på den perforerede plade. Se Figur 5.1. Figur 5.1 Prototype til statisk armatur Figur 5.2 CAD-tegning af prototype til selvregulerende armatur Konstruktionen er designet så det ydre udseende af armaturet bibeholdes og montering af indsatsen er nem og hurtig. På denne måde bemærkes ingen synlige ændringer på armaturet og det æstetiske bevares. Prototypen til det modulerende armatur var en del mere kompliceret. Her skulle der laves en konstruktion som vha. den termohydrauliske cylinder kunne flytte bundpladen/indsatsen op og ned afhængig af temperaturen. Den termohydrauliske cylinder bliver påvirket af temperaturen. Voksen i cylinderen udvider og trækker sig sammen i takt med temperaturændringerne. Dvs. at stemplet bliver skubbet ud når voksen udvider sig, men der skal en ydre påvirkning til at skubbe stemplet tilbage i cylinderen. Dette er forsøgt løst ved hjælp af en fjeder. Kernen i konstruktionen er styret. Styret binder hele konstruktionen sammen, det sørger for justeringen af spaltehøjden og forbinder de enkelte dele til hinander. På Figur 5.3 ses styret. D:\ _Slutrapport_Modulerende ventilation.docx 63

64 Fjederen omslutter styrerørene og sørger for at trække styret sammen, ved at være fikseret i hver ende af styret 2. Her ses justerskruen, der justerer ved hvilken temperatur stemplet skal påvirkes. 3. Her ses ydre styrerør, som omslutter det indre styrerør. Nederst har det et udvendigt M6 gevind til sammenkobling mellem styret og den termohydrauliske cylinder 4. Her ses det indre styrerør, styrerøret har et ydre M8 gevind til fastgørelse til grundarmaturet. Røret har også et indre M6 gevind til justerskruen. Figur 5.3 Snittegning af styret D:\ _Slutrapport_Modulerende ventilation.docx 64

65 Konstruktionen er fastgjort til grundarmaturet vha. fladjern. Midt på fladjernet er et M8 indre gevind til fastgørelse af styret Den termohydrauliske cylinder fastgjort til styret vha. en M6 bolt Halvkuglen/indsatsen er fastgjort til bundpladen og bundpladen fastholdes af den termohydrauliske cylinder. Figur 5.4 Snittegning af prototypen til det modulerende armatur D:\ _Slutrapport_Modulerende ventilation.docx 65

66 5.1 Samlet konklusion på statiske armaturer Forsøgene viser at man ikke ukritisk kan bruge de eksisterende armaturer, hvis et CAVanlæg renoveres og ombygges til et MAV-anlæg. Armaturer dimensioneret til CAV-anlæg har problemer ved lave luftmængder og underkøling. Dette skyldes primært uhensigtsmæssig udformning med skarpe kanter, der skaber turbulens og forringer indblæsningsmønsteret. Se Figur 5.5 og Figur 5.6. Kuldenedfald og træk vil forekomme hvis ikke problemet håndteres. Figur 5.5 Udsnit af standard Lindab armatur Figur 5.6 Udsnit af forbedret Lindab armatur Ved hjælp af. forsøg og CFD-beregninger er der blevet fremstillet to prototyper, der på en let og billig måde kan optimere eksisterende indblæsningsarmaturer, således at kastelængden og coandaeeffekten forøges, samtidig med at trækgener fjernes. Principperne fra disse prototyper vil let kunne overføres til andre armaturer med andre udformninger, da det generelt handler om at få et ind-/udløb der er så aerodynamisk som muligt. 5.2 Dimensionering af armaturer til modulerende ventilation Armaturets geometriske udformning Udformningen af indblæsningsåbningerne er ret afgørende for luftbevægelserne og luftfordelingen i rummet. Målinger i praksis har vist at nøjagtigheden af de følgende formler ligger indenfor den nøjagtighed, hvormed det er muligt at måle lufthastigheden (Becher, Varme og ventilation 3, 1972) For at vurdere de fundne resultater, enten ved hjælp af de praktiske forsøg eller CFDberegninger, er C forsøgt kortlagt for de forskellige prototyper. C eller armaturfaktoren er et udtryk for den geometriske udformning af armaturet. Forudsat at flowet og indblæsningsarealet holdes konstant, er armaturfaktoren det eneste parameter, som vil variere ved test af de forskellige prototyper. For at beregne C er brugt afsnittet omkring ringformede, radiale åbninger fra Bechers, Varme og ventilation 3, fra 1972 D:\ _Slutrapport_Modulerende ventilation.docx 66

67 Ringformet, radial åbning Tallerkenventiler (Becher, Varme og ventilation 3, 1972) I praksis forekommer ringformede stråler ved tallerkenventiler, som vist på Figur 5.8. Hvis v er hastigheden i afstanden r fra aksen og y fra midterplanet på Figur 5.7a, fås af impulssætningen, idet det totale tryk i strålen kan antages at være konstant, (3.17) Antages det som ved andre fri stråler, at hastighedsprofilerne i større afstand er ligedannede, bliver med (3.18) (3.17) og (3.18) giver ( ( )) ( ) (3.19) Da integralet er konstant og uafhængigt af x, kan det skrives ( ( )) ( ) (3.20) Hvor C skal uafhængig af tallerkenventilens dimension og indblæsningshastighed, og (3.19) og (3.20) giver (3.21), fås for tallerkenformede ven- Forsøg har vist, at C =2,2, og sættes ved Figur 5.7b tiler som på Figur 5.7a Figur 5.7b (3.22) D:\ _Slutrapport_Modulerende ventilation.docx 67

68 Ringformede raidale stråler, tallerkenventiler. Da sådanne stråler udbreder sig i tre dimensioner, opblandes de hurtigt med rumluft, så hastigheden aftager stærkt med afstand fra centrum, se formel (3.21) og (3.22). a med en frit ophængt ventil og b med en ventil anbragt mod loft Figur 5.7 Indblæsningsåbninger Disse ovenstående formler og figurer tager forudsætning i at hastighedsprofilet er jævnt fordelt over hele indblæsningsarealet. Men ved hjælp af CFD-beregninger er et faktisk billede af hastighedsprofilet, blevet fundet. Se Figur 5.8 Figur 5.8 Snit af forbedret armatur Her kan det ses at der er væsentlige større lufthastigheder i bunden af profilet, i forhold til toppen. I afsnittet nedenunder er detaljeret beskrevet de parametre der spiller ind ved forskellige udformninger af armaturet. Indblæsningsåbninger (Becher, Varme og ventilation 3, 1972) Når luft blæses ind gennem et rundt hul i et stort rum, vil der ved ventilation altid dannes en aksesymmetrisk luftstråle, som er en fri turbulent strømning. Den blæses ind i et udstrakt hav af samme medium, og er i stærkt hvirvlende bevægelse. Forholdende er i øvrigt fuldstændigt analoge for luft og vand, de hydrodynamiske grundligninger gælder for alle luftarter og væske. På Figur 5.9 ses, hvorledes strålen fra en dyse og en spalte udbreder sig. Umiddelbart foran åbningen ligger et område, kernen, hvor hastigheden er konstant og lig hastigheden v 0 i mundingen. Begrænsningskurven er en slank parabel, der med god tilnærmelse D:\ _Slutrapport_Modulerende ventilation.docx 68

69 kan erstattes af rette linjer. Mellem kernen og det omgivende lufthav ligger sløret, hvori blandingen af indblæst luft og rumluft foregår. Sløret begrænses af rette linjer, og såvel slørets som kernens topvinkler er konstante og uafhængige af åbningernes form, hastigheder og medium. Figur Skematisk fremstilling af fri stråler med deres hastighedsprofiler Af Figur 5.9 fremgår, at centralhastigheden i aksen er den største, det er derfor den, der først og fremmest må bestemmes; ud mod randene aftager hastigheden stærkt. Tværhastigheden, der er rettet vinkelret mod aksen, er meget lille i forhold til den langsgående hastighed; den er så ringe, at den aldrig kan give trækfornemmelser i opholdszonen. Ved randen strømmer den omgivende luft vinkelret mod strålens akse eller midterplan fra alle sider. Ved indblæsning langs et loft dannes der kun en luftstråle ned mod opholdszonen og strålen derfor trykket mod loftet, den klæber ligefrem til loft og væg. D:\ _Slutrapport_Modulerende ventilation.docx 69

70 Selv om tværhastigheden i en fri stråle er ringe ved randene, er det dog den der bestemmer strålens form, og der skal derfor ikke meget til at bringe forstyrrelser ind. Træk fra en dør, en nedragende bjælke, belysningslegeme eller lignende. Det er heller ikke altid en stråle får lov til at udfolde sig frit, som vist på figuren. Det er navnlig rummets begrænsningsflader, der virker forstyrrende, lufthavet er ikke uendeligt stort, og luften kan ikke strømme frit til fra alle sider. Strålen kan imidlertid, betragtes som fri. Hastighedsformlen kan skrives på forskellig måde Hvor v c er centralhastigheden i aksen i afstanden x m/s v m er middelhastigheden over åbningens bruttoareal m/s x er afstanden fra åbningen m A er åbningens bruttoareal m 2 d 0 er diameteren af en cirkel med samme bruttoareal som åbningen m α er åbningens kontraktionskoefficient ε er forholdet mellem åbningens fri areal og bruttoarealet V 0 den indblæste luftmængde m 3 /h C er en konstant for armaturudformningen Dimensionering af armaturer udformet til (et) modulerende ventilation, benyttes den karakteristiske kastelængde l 0,2 for den maksimale luftstrøm der skal vælges, så hastigheden ikke overstiger 0,1 0,15 m/s i opholdszonen. Beregning af afstanden fremgår af figuren nedenfor. B A B C Opholdszonen hk/ ho18 Karakteristiske længder ved bestemmelse af kastelængden Figur 5.10 D:\ _Slutrapport_Modulerende ventilation.docx 70

71 For stråler der rammer væg, gælder 0,75 (B + C) l 0,2 A 2 C Kastelængden vil kun afhænge af kvadratroden af impulsstrømmen i indblæsningsåbningen, som kan udtrykkes ved: l 0,2 = C s v m A [m] C s er den samlede armaturfaktor v m er middelhastigheden over åbningens bruttoareal [m/s] A er åbnings bruttoareal [m 2 ] Armaturfaktor C s er beregnet for et ø160 mm armatur med plan bundsplade og kegle til 2,03. Den maksimale middelhastighed v m bør vælges mellem 4-5 m/s og den mindste hastighed ved 1,4-1,7 m/s, hvilket svarer til en reduktion på ca. 65 % i forhold til den maksimale luftstrøm. Forsøg og simuleringer har vist, at indtrængningen ned i opholdszonen er bedre end standardarmaturet på grund af et større hastighedsprofil i udløbet. Røgforsøg og målinger viser at ventilationseffektiviteten ved 5 ºC 1 ºC undertemperatur er over 90 %. Ved en overtemperatur fra 5 ºC 1 ºC er ventilationseffektiviteten kun reduceret til 80 %. Placering af indblæsningsarmaturer Ved indblæsning med et armatur i et lokale, skal det anbringes i rummets midtpunkt. Ved placering af flere armaturer skal opdelingen helst være kvadratisk, og hvis de bliver rektangulære må sideforholdet ikke komme over 3/2. Kastelængden må ikke være større end afstanden til væggen, eller halvdelen af afstanden mellem armaturerne Samlet konklusion på statiske armaturer Forsøgene viser, at man ikke ukritisk kan bruge de eksisterende armaturer, hvis et CAVanlæg renoveres og ombygges til et MAV-anlæg. Armaturer dimensioneret til CAV-anlæg har problemer ved lave luftmængder og underkøling. Dette skyldes primært uhensigtsmæssig udformning med skarpe kanter, der skaber turbulens og forringer indblæsningsmønsteret. Se Figur 5.11 og Figur Kuldenedfald og træk vil forekomme hvis ikke problemet håndteres. D:\ _Slutrapport_Modulerende ventilation.docx 71

72 Figur 5.11 Udsnit af standard Lindab armatur Figur 5.12 Udsnit af forbedret Lindab armatur Ved hjælp af forsøg og CFD-beregninger er der blevet fremstillet to prototyper, der på en let og billig måde kan optimere eksisterende indblæsningsarmaturer, således at kastelængden og coandaeeffekten forøges, samtidig med at trækgener fjernes. Principperne fra disse prototyper vil let kunne overføres til andre armaturer med andre udformninger, da det generelt handler om at få et ind-/udløb der er så aerodynamisk som muligt. 5.3 Udformning af kanalsystem i forbindelse med armaturløsninger Der er blevet testet og indsamlet data over trykdifferensen over diverse komponenter. Det er baseret på 100 stk. af hver komponent i anlæggene, og middelvolumen (indblæsning og udsugning) for de 100 ventilationsanlæg er ca m 3 /h. Gennemsnitdata er sat op i grafen nedenfor. + D:\ _Slutrapport_Modulerende ventilation.docx 72

73 Kanalsystem inkl. luftindtag, indblæsningsarmaturer og lyddæmper Kanalsystem inkl. udsugningsarmaturer, afkast og lyddæmper Filter - indblæsning Filter - udsugning Varmegenvinding - indblæsning Varmegenvinding - udsugning Varmeflade Køleflade Systemtab - indblæsning Systemtab - udsugning Trykdifferens [Pa] Optimal Normal Figur 5.13 Som man kan se i figuren er trykdifferencer i kanalsystemerne betydelig højere end optimalt. Dette kan skyldes underdimensionerede kanaldimensioner, der er anvendt forkerte komponenter, eller at systemerne ikke er opbygget strømningsmæssigt korrekt. Ved siden af er vist kanalsystemets udsugnings- og afkastarmaturer, hvor tryktabene kan skyldes forkert opbygget strømningsmæssige forhold før/efter et armatur. For at få et billedet af de relative høje tryktab der er i forbindelse med montage af armaturer, er der undersøgt forskellige kanaltilslutninger mellem hovedkanal og armaturer, dels ved praktiske målinger på montagestedet, dels ved CFD-beregning, og dels ved en tryktabsberegning af kanaltilslutningen ved hjælp af normalt anvendte beregningsmateriale. Der er undersøgt 5 situationer for at få et billede af dette forhold. D:\ _Slutrapport_Modulerende ventilation.docx 73

74 Situation 1 Dette er en mindre gren til et printerrum. Fremføringskanalen afslutter med en afgrening der afsluttes med 2 loftarmaturer ind til rummet. Afstanden mellem armaturerne er ikke har nogen stor betydning for udluftningen i rummet. Man kunne have nøjes med et loftarmatur, dvs. en kanal ind til rummet, så der ikke er dette T-stykke. Ved at benytte en kanal, vil tryktabet der opstår i T-stykket ikke være der, hvilket betyder at der ikke vil være et unødvendigt tryktab i denne komponent. Figur 5.14 Situation 2 Figur 5.15 Her er der blevet sat en række bøjninger meget tæt på hinanden, hvilket skaber et ujævnt luftprofil i kanalerne som vil øget tryktabet. Denne løsning er højest sandsynligt valgt, da man skulle passere en loftbjælke på en pæn måde. Kanalerne er Ø250 og der er benyttet 2x2 60º bøjninger, med et kort stykke imellem. Lige efter dette er der sat en Ø125 gren på, som leder til situation 1. D:\ _Slutrapport_Modulerende ventilation.docx 74

75 Situation 3 Figur 5.16 Dette er en Ø400 som leder til en Ø250 i en bøjning. Her er der blevet sat en endebund på Ø400 T-stykket, i stedet for evt. en reduktion før dette punkt, efterfulgt af en almindelig Ø250 bøjning. Igen vil der blive lavet nogle beregninger og analyser på denne situation, samt en evt. smartere løsning, både økonomisk og trykmæssigt. Situation 4 Situationen i dette eksempel ses Figur 5.17 og som det ses er pladsforholdene gode til at udføre energirigtige løsninger. Figur 5.17 D:\ _Slutrapport_Modulerende ventilation.docx 75

76 Situation 5 Figur 5.18 Denne situation sidder på udsugningen. Den går op fra nogle klasseværelser til en hovedkanal der leder til anlægget. Hovedkanalen er Ø630 og tilgreningen er Ø250. Som det ses burde det have været muligt at undvære en bøjning, samt lidt lige kanaler. Ydermere er der rigeligt med plads til at lade påstikket/t-stykket gå ud af siden og lige ned, uden denne omvej. 5.4 Analyse af målinger, beregninger og CFD Situation 1 Målt 10,00 [Pa] Beregning 16,90 [Pa] CFD 7,64 [Pa] Figur 5.19 Her er CFD beregningen lavere end målingen og beregningen. Det kan skyldes at der ikke er friktion, eller at T-stykkets udformning ikke er helt identisk med det T-stykke som blev benyttet i tabellen mm., er meget mere jævne end de ofte er i virkeligheden. Her på tegningerne er der en perfekt overgang mellem alle komponenter, hvor der ofte er kan- D:\ _Slutrapport_Modulerende ventilation.docx 76

77 ter mellem samlingerne i virkeligheden, samt der er en snoet kant i alle lige kanaler, som heller ikke er indtegnet i CFD programmet. Alt dette gør at luften får et bedre flow igennem end i virkeligheden. Men selve punktet hvor der er størst tryktab kan man stadig se på tegningen ovenfor, nemlig T-stykket. Det gælder for både den oprindelige situation og løsningen. Men der er dog noget mindre tryktab her i løsningen, på grund af den mere lige overgang / samling. Resultaterne på den CFD eksperimenterede løsning, på dette problem kan findes under konklusion og analyse afsnittet. Situation 2 Her ses at CFD beregningen er meget lavere end de andre, det kan skyldes at der ingen friktion er medregnet i CFD beregningen, samt at der er riller mellem hver samling, som der heller ikke tages højde for. Yderligere kan der være utætheder mellem samlingerne, som skaber et endnu større tryktab. Målt 10,00 [Pa] Figur 5.20 Beregning 8,40 [Pa] CFD 5,61 [Pa] Som man kan se på trykbilledet ovenfor, kommer luften lige ind og rammer en forhindring. Det skaber en højtryksfelt, hvilket betyder at der er meget luft her. I indersiden af bøjningerne er der et lavtryksfelt, hvilket betyder at der ikke er så meget luft her. Det samme gælder ved næsten alle andre bøjninger. Så teoretisk set, betyder det at jo skarpere bøjninger, jo højere trykforskelle, jo højere tryktab i hele forhindringen. Så en løsning må være at benytte 30 eller 45º bøjninger. Men hvis det ikke er nok, bør man sætte lige strækninger imellem disse bøjninger, for så rammer luften bøjningerne med en jævn front, hvilket vil mindske tryktabet yderligere. D:\ _Slutrapport_Modulerende ventilation.docx 77

78 Situation 3 Her ses at CFD beregningen giver et lidt lavere tryktab igen, fordi der ikke er medregnet friktion, og andre ujævnheder, som er lavet mellem samlinger og påstikket. Men bortset fra det ses det stadigt, at her opstår et stort tryktab over en sådan bøjning. Målt 18,00 [Pa] Beregning Ingen CFD 9,74 [Pa] Figur 5.21 På tryktegningen ses det, at der opstår et højtryk i det skarpe hjørne, og man ser tydeligt, at der opstår turbulens her, hvilket skaber dette meget høje tryktab, da der går meget energi til spilde. Derfor vil det være en meget god ide at udskifte en sådan bøjning med en almindelig bøjning og et reduktionsstykke, for at skabe et lidt bedre flow gennem det, uden turbulens. D:\ _Slutrapport_Modulerende ventilation.docx 78

79 Situation 4 Målt 4,0 [Pa] Beregning 3,5 [Pa] CFD 1,86 [Pa] Figur 5.22 I denne situation er der blevet sat 2 bøjninger meget tæt på hinanden, hvilket øger tryktabet. Når man sætter bøjninger og andre komponenter for tæt på hinanden, vil luftfronten ikke passe ind i forhindringen, og vil derfor øge tryktabet yderligere, end hvis der er et lige stykke mellem dem, så luftfronten bliver udjævnet. Afhængig af hvordan bøjningerne sidder, vil der blive højere eller mindre tryktab. Tilfældigvis kunne de, i denne situation, have benyttet løsningen som er skitseret på det lille billede. Hvilket ville have reduceret løsningen med 1 bøjning, og lidt lige kanaler. Dette vil selvfølgelig reducere trykabet. Her er CFD-beregningen igen lavere end målinger og beregninger, hvilket skyldes friktionen mellem luft og kanal er 0, samt luften har en jævn luftfront når den møder denne forhindring, hvor den egentligt er skæv. Komponenternes tryktab Tryktabene er målt over de enkelte situationer og strategiske steder på anlæggene samt set på tegninger over kanalsystemerne for at sikre en rimelig måling. Beregninger af tryktabet er udført ved de målte kanalhastigheder og data fra tabeller og grafer fra Ventilations Ståbi. CFD-beregningerne er foretaget i Solid Works ved at tegne de aktuelle komponenter i de rigtige målestoksforhold og efterfølgende sat sammen i den rækkefølge som skal undersøges. Ruhed for kanalerne er medtaget i CFD-beregningen. Der er ikke taget højde for dårlig påsatte påstik. D:\ _Slutrapport_Modulerende ventilation.docx 79

80 Afvigelserne Årsag til afvigelserne mellem målinger og beregninger kan være følgende: Komponenterne sidder for tæt på hinanden i beregningerne Upræcise afløsninger i kurver og tabeller Svært aflæselige kurver Friktionen og ujævnhederne i kanalsamlingerne mm. er ikke indtegnet præcist i CFDtegningerne, hvilket resulterer i lidt upræcise beregninger Dårlig tilgængelighed til nogle kanaler, så det er svært at måle Ikke taget højde for dårligt påsatte påstrik i CFD-beregninger eller alm. beregninger. 5.5 Konklusion og analyse I de efterfølgende afsnit bliver alle hovedproblemerne, løsningerne, og resultaterne samt generelle konklusioner gennemgået, for at få et overblik over de mange konklusioner, der er blevet konkluderet i gennem de mange beregninger. Først vil de enkelte hovedproblemer og løsningerne til dem blive gennemgået. De er blevet opstillet i tabeller så de er nemme at overskue. I disse tabeller står tryktabene over den skitserede situation, samt hvad det koster at fremstille den, så man nemt og simpelt kan se hvilken løsning der er den bedste at benytte. I afsnittet praktiske konklusioner, bliver der opstillet punker, som man bør være ekstra opmærksom på at opfylde, hvis plads m.m. tillader det, for at minimere tryktabene i kanalsystemerne Situationsoversigt Nedenfor er alle situationer opstillet, inklusiv de mange mulige bedre og måske dårligere løsninger, der er på de forskellige problemer. Tabellerne er opstillet således, at man kan se tryktabet over dem, og hvad de koster at fremstiller i komponenter og timeløn, som er sat til 450kr/timen. Dette er gjort for at man kan få et klart overblik over, hvad der er den bedste løsning til et givent problem, både økonomisk set og tryktabsmæssigt. Yderligere er der en forklaring om hvorfor de forskellige løsninger er bedre, og hvilken af dem der er bedst. Dette bliver illustreret med nogle CFD illustrationer, som illustrerer luftens bane gennem bøjninger, reduktionsstykker og T-stykker. Dette gøres fordi det ofte er her, de betydningsfulde tryktab finder sted. D:\ _Slutrapport_Modulerende ventilation.docx 80

81 Situation 1 Ø125 RAPPORT over Situation 1 01 RAPPORT over Situation 1 02 Hovedproblem Tryktab 7,64 Pa 5,90 Pa Timeløn ved Tid: ca. 30 min Tid: opsætningen ca. 225 kr Løsning 1 ca. 30 min ca. 225 kr 663 kr 112 kr 224 kr 136 kr Komponentomkostninger T-stykke: 162 kr T-stykke: 2x bøjninger: 112 kr 224 kr 2x bøjninger: 2m Ø125: 136 kr 2m Ø125: Samlet pris 747 kr kr Prisforskel Tabel kr D:\ _Slutrapport_Modulerende ventilation.docx 81

82 Situation 1 Figur 5.23 Som det ses er Løsning 1 den bedste her. Her er tryktabsbesparelsen ca. 1,8 Pa. Det koster godt nok lidt mere at sætte op. Men det vil blive sparet ind med tiden på grund af denne tryktabsforskel, der er på de 2 situationer. Grunden til denne trykforskel på disse 2 muligheder kan findes i T-stykket. Et bukserør skaber et pænere og glattere flow gennem systemet, end et almindeligt T-stykke gør. Dette vil være tilfældet uanset hvilken vej luften skal, om der er sug eller blæst gennem den. D:\ _Slutrapport_Modulerende ventilation.docx 82

83 Situation 2 RAPPORT over RAPPORT over RAPPORT over Ø250 Situation 2 01 Situation 2 02 Situation 2 03 Løsning 1 Løsning 2 Hovedproblem (60grader bøjninger) (45grader bøjninger) (30grader bøjninger) Tryktab 5,61 Pa 5,57 Pa 5,46 Pa Timeløn ved Tid: ca. 15 min Tid: ca. 15 min Tid: ca. 15 min opsætningen ca. 113 kr ca. 113 kr ca. 113 kr Komponent- 4x bøjninger: 296 kr 4x bøjninger: 250 kr 4x bøjninger: 223 kr omkostnin kr kr 892 kr ger 2m Ø250: 262 kr 2m Ø250: 262 kr 2m Ø250: 262 kr Samlet pris kr kr kr Prisforskel -184 kr -292 kr Tabel 5.2 D:\ _Slutrapport_Modulerende ventilation.docx 83

84 Situation 2 Ø250 RAPPORT over Situation 2 04 RAPPORT over Situation 2 05 Løsning 3 (45grader bøjninger) Løsning 4 (30grader bøjninger) Tryktab 3,85 Pa 3,25 Pa Timeløn ved Tid: ca. 15 min Tid: ca. 15 min opsætningen ca. 113 kr ca. 113 kr Komponentomkostninger 4x bøjninger: 2m Ø250: 250 kr kr 262 kr 4x bøjninger: 223 kr 892 kr 2m Ø250: 262 kr Samlet pris kr kr Prisforskel 184 kr 292 kr Tabel 5.3 Situation 2 Figur 5.24 Om det er en bedre løsning at benytte mindre bøjninger i denne situation er svært at sige. Fordi det måske ikke kan lade sig gøre, at komme under eller forbi bjælken, med mindre bøjninger. Men generelt bør man benytte så korte bøjninger som muligt, da der er mindre tryktab over disse. Her er der ca. 0,2 Pa forskel på om man benytter 60º eller 30º bøjninger. D:\ _Slutrapport_Modulerende ventilation.docx 84

85 Figur 5.25 Her er der sat et stykke lige kanal mellem de korte bøjninger for, at man kan komme forbi bjælken som er i vejen. Der er en tryktabsbesparelse på 1,7 Pa hvis man benytter løsning 3 og ikke den oprindelige løsning med de 2 60º bøjninger lige efter hinanden. Ikke nok med trykbesparelsen, så er det billige at sætte op fordi disse 30º bøjninger er billigere. Så er der plads til det bør denne løsning benyttes. Man kan se på de røde strækninger lige ved de første bøjninger. Det er fordi luften kommer ind og rammer en mur, som afretter luften i en ny retning. Dette gør at luften ligger for det meste i den side, og skaber et forhøjet tryk. Sådan vil det se ud i alle bøjninger. Men jo større bøjninger man bruger (90º), jo stører et tryk vil der opstå i dette punkt. Derfor er det smartest at benytte bøjninger med så lille bøjning som muligt. Det vil skabe mindre trykdifferenser i gennem bøjningen, samt luften vil hurtigere kunne gendanne en pæn lige front, hvis det får en lige strækning. Denne lige strækning er sat i mellem på løsning 4 og 5. Takket være den strækning, rammer luften de efterfølgende bøjninger med en pæn luftfront, og dermed minimeres tryktabet så meget som muligt. Med andre ord bør man benytte løsning 5, hvis der er blads til det. D:\ _Slutrapport_Modulerende ventilation.docx 85

86 Tabel 5.4 D:\ _Slutrapport_Modulerende ventilation.docx 86

87 Situation 2 udvidet Her er situation 2 udvidet, fordi der var en sidegren umiddelbart før bøjningen og det kunne være interessant at se, hvad det har af betydning. Som det ses, er der et højt tryktab ved den valgte løsning, og noget tyder på, at det gør en forskel hvis man kommer et lidt længere lige stykke mellem T-stykket og bøjningerne. Normalt vil man sige, at hvis der er et kort stykke mellem komponenterne, vil det øge tryktabet væsentligt, men det er ikke tilfældet her. Hvis man til gengæld benytter en 45º T-stykke er der en stor tryktabsbesparelse på hovedstrækningen, takket være det lidt bedre flow gennem systemet. Man kan også se her, at det faktisk er en fordel at havde dette 45º T-stykke tæt på bøjningen, da det laver en yderligere tryktabsbesparelse. Dette kan skyldes at selve luftfronten har en pænere front gennem disse bøjninger. Det koster godt nok 288 kr. mere at benytte en 45º T-stykke, men med trykbesparelsen vil det spare sig ind i løbet af ventilationsanlæggets levetid. Hvis man ser på CFD illustrationerne, er det umiddelbart svært at se hvorfor en kort strækning mellem komponenterne er bedst. Om det er fordi hele strækningen er lidt kortere, eller om der virkelig kommer et bedre flow gennem systemet. Det eneste man kan se er at ved 45º T-stykket, er der et mindre tryk forskel, når luftstrømmene forenes. Figur 5.26 D:\ _Slutrapport_Modulerende ventilation.docx 87

88 På disse situationer, med en lidt længere strækning imellem komponenterne, kan man se det samme. At med en 45º T-stykke, er der et lidt pænere flow og forenelse af luftstømmene, end med et alm T-stykke. Det grønne felt er mindre. Figur 5.27 Yderligere er der ca. 3 Pa forskel på disse to løsninger (løsning 2 og 3). Så der er ingen tvivl om, at et 45º T-stykke er det bedste valg, hvis man tager højde for flowet. Så når alt kommer til alt, er man lidt afhængig af pladsforholdenne, når man skal vælge hvilken løsning der er smartest at benytte. Løsning 1 eller 2 vil være at foretrække, hvis forholdene tillader det. D:\ _Slutrapport_Modulerende ventilation.docx 88

89 Situation 3 RAPPORT over RAPPORT over RAPPORT over Ø400 Situation 3 01 Situation 3 02 Situation 3 03 Ø250 Hovedproblem Løsning 2 Løsning 1 Tryktab 9,74 Pa 7,38 Pa 7,63 Pa Timeløn ved Tid: ca. 15 min Tid: ca. 10 min Tid: ca. 15 min opsætningen ca. 113 kr ca. 75 kr ca. 113 kr Komponent- T-stykke: 257 kr Reduktion: 436 kr Reduktion: 436 kr omkostnin- Endebund: 233 kr 1x bøjning: 296 kr 1x bøjning: 296 kr ger Påstik: 137 kr 1m Ø400: 251 kr 1m Ø400: 251 kr Lim/skruer: 50 kr 1m Ø250: 131 kr 2m Ø250: 262 kr 1m Ø400: 251 kr 1m Ø250: 131 kr Samlet pris kr kr kr Prisforskel 17 kr 186 kr Tabel 5.5 D:\ _Slutrapport_Modulerende ventilation.docx 89

90 Situation 3 RAPPORT over RAPPORT over RAPPORT over Ø400 Situation 3 04 Situation 3 05 Situation 3 06 Ø250 Løsning 3 Løsning 4 Løsning 5 Tryktab 8,72 Pa 6,12 Pa 4,60 Pa Timeløn ved Tid: ca. 15 min Tid: ca. 15 min Tid: ca. 5 min opsætningen ca. 113 kr ca. 113 kr ca. 37 kr Komponentomkostninger Reduktion: 436 kr Reduktion: 436 kr Bøjning:?? kr 1x bøjning: 296 kr 1x bøjning: 296 kr 1m Ø400: 251 kr 1m Ø400: 251 kr 1m Ø400: 251 kr 1m Ø250: 131 kr 1m Ø250: 131 kr 1m Ø250: 131 kr Samlet pris kr kr Bøjningens pris+419 kr Prisforskel 55 kr 55 kr?? kr Tabel 5.6 Situation 3 Her er der flere forskellige andre løsninger end den i anlægget valgte løsning. Fx bliver løsning 3 benyttet ofte i mange kanalsystemer. Denne løsning er en anelse bedre end den valgte. Hvis man derimod benytter løsning 1 eller 4, vil det skabe en bedre overgang, og det bedste flow for luften, og dermed det mindste tryktab. Der er ikke den store prisforskel i betragtning af, at man sparer mere end 3 Pa. Det koster at lave alt arbejdet, med at skære hul, lime og skrue, samt det er mere tidskrævende. De andre løsninger er meget nemmere og hurtigere at sætte op. Så det vil egentligt komme til at koste det samme som at sætte hovedproblemet op. Som det ses bliver der skabt turbulens, og meget ringe luftfordeling i den store kanal. Det tager lang tid før luften fordeler sig i hele kanalen. Men det værste her er den turbulens der bliver skabt. D:\ _Slutrapport_Modulerende ventilation.docx 90

91 Figur 5.28 Bare det at man placerer en bøjning og et alm. reduktionsstykke, skaber et meget bedre flow gennem systemet. Løsningen skitseret til venstre, er en af de bedre løsninger, fordi luften, får en god strækning, hvor den kan glide jævnt ind til den næste kanal dimension. Figur 5.29 Hvis man kommer en stump kanal mellem bøjningen og reduktionsstykket, vil luften ikke kunne få det samme glid ind i den store kanal. Men det er dog pænere end den sidste løsning, 5. D:\ _Slutrapport_Modulerende ventilation.docx 91

92 Figur 5.30 Her er det endt med en bøjning, der får luften godt rundt, men overgangsstykket hjælper ikke den videre gang til den store dimmension. Det vil tage lang tid for luften at fordele sig i den store kanal, hvilket vil skabe et forhøjet tryktab. Denne løsning er dog også meget benyttet i mange anlæg. Figur 5.31 Dette er den bedste løsning, og vil skabe det mindste tryktab. Det er lidt det samme som med løsning 2. Luften vil få det bedste glid igennem både bøjning og reduktionsstykke, hvilket vil gøre, at luften hurtigt vil udfylde den store kanal dimension. Der er ca. 3 Pa at spare ved at benytte denne løsning i stedet for hovedproblemet / løsningen. D:\ _Slutrapport_Modulerende ventilation.docx 92

93 Figur 5.32 Konklusionen bliver at løsning 5 er den bedste løsning. Dette er fordi den skaber det bedste flow og overgang fra en lille dimension med en bøjning, over til et overgangstykke til den store dimension. Det skaber det bedste flow, med mindst mulig turbulens. Som man kan se på stregerne, er hullet efter reduktionsstykket også det mindste, hvilket betyder at luften hurtigst kommer til at fordele sig i den store kanal. Dette komponent kan ikke findes i kataloger, men er derimod kun konstrueret i Solid- Works for at sammenligne den med de nuværende eksisterende komponenter. Man kan se, at det er den komponent der helt klart skaber det mindste tryktab. Kun 4,6 Pa. Hvor den nest bedste skaber 6,12 Pa tryktab. Det skyldes at bøjningen er lavet med henblik på et jævnt flow gennem bøjningen, hvilket så resulterer i at luftprofilen også hurtigt fordeler sig jævnt efter bøjningen. D:\ _Slutrapport_Modulerende ventilation.docx 93

94 Figur 5.33 Formålet med at vise dette komponent er at demonstrere, at man sagtens kan forbedre de mange nuværende komponenter, og på den måde mindske tryktabet i diverse kanalsystemer, bare ved at udføre komponenterne med henblik på flowet og tryktabet. I øjeblikket er ulempen med denne komponent, at det er svært og meget dyr at anskaffe, da det ikke bliver produceret. Men med nogle flere undersøgelser, kan man påpege at en sådan komponent er væsentligt bedre end de eksisterende komponenter. Når dette er blevet påpeget, kan diverse producenter måske se interesse i at masseproducere den, så den vil komme til at koste det samme som en nuværende løsning. Figur 5.34 De ydre dimensioner på denne bøjning kan ses på skitsen. Den er lavet med det princip at der er 1xDiametre bøjning i den, ligesom de fleste nuværende bøjninger er lavet. D:\ _Slutrapport_Modulerende ventilation.docx 94